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A propósito del Principio de Conservación de la Energía: Una Propuesta de
Reorganización Conceptual para su Enseñanza desde la Perspectiva de Robert
Mayer.
Trabajo presentado para optar al título de Licenciada en Matemáticas y Física
MARÍA CRISTINA CARDONA RENDÓN
Asesor
Yirsen Aguilar Mosquera
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE EDUCACIÓN
DEPARTAMENTO DE ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS Y LAS ARTES
LICENCIATURA EN MATEMÁTICAS Y FÍSICA
MEDELLÍN
2017
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Agradecimientos
A Laura Marcela Jaramillo y todas las monitoras del Servicio para Personas con
Discapacidad Visual, Sala Jorge Luis Borges de la Biblioteca Carlos Gaviria Díaz de la
Universidad de Antioquia, por su permanente e incondicional apoyo durante todo el proceso.
A la institución educativa Francisco Luis Hernández Betancur por abrirme sus puertas
y posibilitar las experiencias investigativa y docente.
A mi asesor Yirsen Aguilar Mosquera por su orientación durante el desarrollo del
proyecto de investigación.
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Resumen
El principio de conservación de la energía en relación con su enseñanza y aprendizaje ha
sido ampliamente investigado en las últimas décadas, encontrando dificultades tanto en
profesores como estudiantes, las cuales se estima, entre otras razones, provienen de los libros
de texto en los que no se evidencia su carácter estructurante y unificador de toda la física,
restringiéndolo en muchas ocasiones a procesos mecánicos o termodinámicos. Esto hace que
la comprensión de la energía y su conservación sea limitada y por tanto se presente una visión
deformada e incompleta de algunos aspectos cualitativos de la física.
Bajo estas circunstancias y con el fin de construir rutas alternativas para su enseñanza, se
realizó un análisis histórico y epistemológico del principio de conservación desde la
perspectiva de Robert Mayer (1842, 1845), lo cual posibilitó su recontextualización. En todo
este proceso la historia y epistemología de las ciencias tuvieron un papel relevante en tanto
se convirtieron en los escenarios que permitieron profundizar en el conocimiento disciplinar
y propiciaron escenarios de reflexión sobre la enseñanza de este principio desde un punto de
vista crítico y adaptado a las particularidades del contexto.
Finalmente, se realizó un estudio de casos el cual tuvo como propósito comprender las
concepciones que tenían los casos participantes en la investigación sobre el principio de
conservación, para lo cual se aplicaron instrumentos que fueron construidos atendiendo a
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los planteamientos de Mayer. En el análisis se encontraron tanto divergencias como
convergencias con las investigaciones reportadas y con el pensamiento del teórico, las cuales,
junto con la resignificación de la física y en particular el principio de conservación, sirvieron
como base para diseñar una propuesta didáctica sobre su enseñanza, en la que se buscó
responder parcialmente a las necesidades y dificultades encontradas en el proceso de
investigación.
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Contenido
Capítulo 1. Contextualización ................................................................................................ 6
1.1 Planteamiento del problema ..................................................................................... 6
1.2 Objetivos ..................................................................................................................... 11
Capítulo 2. Marco teórico ..................................................................................................... 13
2.1. Energía y conservación en el contexto de la enseñanza ............................................ 13
2.2. Historia y epistemología en la enseñanza de la física ................................................ 16
2.3. La energía y conservación desde la perspectiva de Julius Robert Mayer. ................. 19
2.3.1 Ejes estructurantes del principio de conservación de la energía: Causalidad,
indestructibilidad y convertibilidad ............................................................................... 21
2.3.2 El principio de conservación desde la perspectiva de Mayer............................... 25
Capítulo 3. Marco metodológico ......................................................................................... 28
3.1 Enfoque y método ....................................................................................................... 28
3.2 Contexto de investigación ........................................................................................... 30
3.3 Casos y criterios de selección ..................................................................................... 31
3.4 Recolección de la información ................................................................................... 33
3.5 Sistematización y análisis de los datos ....................................................................... 36
Capítulo 4. Hallazgos .......................................................................................................... 38
4.1 La Causalidad: Una interdependencia entre fenómenos. ............................................ 38
4.2 El principio de conservación de la energía: una construcción a partir de la
indestructibilidad y convertibilidad de las causas ............................................................. 43
Capítulo 5. Implicaciones didácticas .................................................................................... 49
Capítulo 6. Consideraciones finales ..................................................................................... 55
Referencias ........................................................................................................................... 59
Anexos .................................................................................................................................. 64
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Capítulo 1. Contextualización
1.1 Planteamiento del problema
Es innegable que en la actualidad uno de los aspectos que mayor atención requiere está
relacionado con la enseñanza y aprendizaje de las ciencias, lo cual es señalado por Hodson
(2003) al afirmar que los retos actuales exigen del maestro procesos de formación en ciencias
que estén orientados a que el estudiante adquiera la capacidad de tomar decisiones
informadas y de predecir las consecuencias de sus actos. Este proceso de formación en
ciencias, de acuerdo con Jiménez y Sanmartí (1997) engloba cinco dimensiones en las cuales
se encuadran los objetivos de su enseñanza, tales como el aprendizaje de conceptos y la
construcción de modelos; el desarrollo de destrezas cognitivas y el razonamiento científico;
el desarrollo de destrezas experimentales y la resolución de problemas; el desarrollo de
actitudes y valores; y finalmente la construcción de una imagen de la ciencia en
correspondencia con la visión de corrientes actuales.
Lo anterior implica estimular en los estudiantes la curiosidad, la creatividad y la capacidad
de aplicar los conocimientos en la resolución de problemas no solo relacionados con la
ciencia sino también relacionados con la vida cotidiana, en el orden social y ambiental, lo
que supone la formación de un estudiante capaz de interpretar la información científica y
tecnológica. Por este motivo, en la formación del ciudadano el estudio de la física cobra un
papel relevante, puesto que se convierte en el escenario que posibilita el acercamiento del
ser humano a la comprensión de los fenómenos naturales y su relación con el mundo,
entendiendo que es partícipe del mismo. Es justamente en este sentido, que
7
en la enseñanza de las ciencias surgen múltiples retos que deben ser interpretados y
abordados por el profesor de la actualidad.
Bajo estas circunstancias, el estudio de conceptos físicos tales como la energía son de gran
importancia para abordar estos propósitos, puesto que, de acuerdo con Doménech ET AL
(2001) contribuye a la formación de ciudadanos capaces de participar en la toma de
decisiones en pro de una sociedad sostenible, a la comprensión del funcionamiento de
máquinas e instrumentos que facilitan nuestra vida y la toma de conciencia sobre los
problemas sanitarios y ambientales que se dan en nuestro planeta. Además, su carácter
unificador engloba diversas disciplinas tales como la mecánica, termodinámica, la
electricidad, la teoría de campos, la química, biología, etc. Por ello, su estudio se encuentra
incluido en los estándares curriculares del Ministerio de Educación Nacional de Colombia
(MEN) en los cuales se especifica que dicho concepto debe estar vinculado en las acciones
de pensamiento y producción que se da por parte de los estudiantes en la Educación Básica
y Media.
No obstante a estos retos, algunas investigaciones como la de Hernández (2001) reportan
la vigencia de problemas en la enseñanza, entre los cuales se destacan el aprendizaje
memorístico y repetitivo que, además de no favorecer una comprensión adecuada de las
teorías y explicaciones científicas, no permite que los estudiantes relacionen estas
explicaciones con asuntos del orden social, ambiental y cultural.
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Estos problemas que se evidencian en investigaciones sobre la enseñanza de las ciencias
afectan de manera particular la enseñanza de conceptos físicos tales como la energía y su
conservación, ya que son términos que el estudiante escucha en contextos muy diferentes:
por un lado en el social (lenguaje común) se dice que la energía se gasta o se pierde; y en el
físico (lenguaje científico), contrario al lenguaje común, se dice que la energía no se crea ni
se destruye, es decir se conserva, lo cual se estructura como un principio organizador
denominado principio de conservación de la energía. Esto, según Solbes y Tarín (2008) se
constituye en una dificultad en la enseñanza, dado que el estudiante está mayormente
relacionado con el lenguaje común que con las ideas validadas en la ciencia. En este sentido,
estos autores expresan que la persistencia de las ideas previas que vienen del uso de dicho
lenguaje y la no contrastación con las ideas científicas se constituye en una dificultad para la
comprensión de los conceptos científicos, siendo este el caso del principio de conservación.
Para este caso particular López & Katia (2004), señalan que tanto estudiantes como
profesores presentan dificultades con el concepto de energía: a los estudiantes se les dificulta
comprender y aplicar el principio de conservación en el análisis de fenómenos físicos, y a los
profesores se le dificulta planificar estrategias adecuadas que permitan enfrentar el tránsito
entre la noción cotidiana (conocimiento común) que se tiene del concepto y el proceso de
construcción del pensamiento científico en el aula.
Es importante anotar que dichas dificultades no se dan solo en la actualidad, ya eran objeto
de investigación antes del 2000, lo que da cuenta de que es un reto que todavía está vigente
y pendiente por solucionar en los procesos de enseñanza y aprendizaje de las
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ciencias. Por ello, es importante revisarlas y tenerlas en cuenta a la hora de diseñar estrategias
y a su vez reflexionar sobre la manera en que se llevan a cabo los procesos educativos desde
los cuales, según las investigaciones actuales, no se ha dado solución a esas dificultades que
se encontraban ya en los 90.
Algunas de ellas, por ejemplo, reportan que la mayoría de los estudiantes asocian la
energía con la fuerza o el movimiento; la relacionan sólo con los aparatos que funcionan con
energía eléctrica, con combustible o con el esfuerzo físico que realiza una persona (Driver,
1999). Por su parte, Gallastegui y Lorenzo (1993), afirman que los estudiantes reconocen la
energía mecánica (la cinética y potencial gravitacional) con mayor facilidad que la energía
química. Otra situación que se reporta como problemática tiene relación con el hecho de que
la secuencia de enseñanza del concepto de energía (tal y como se plantea en los libros o textos
de estudio) se inicia con la relación entre energía mecánica y trabajo, reduciéndola sólo al
campo de la mecánica, lo que provoca confusión entre energía, trabajo y fuerza (Mellado,
1998). Las investigaciones en didáctica de las ciencias orientan a los maestros a que diseñen
secuencias de enseñanza de la energía en general y de sus procesos: Transformación,
transferencia, conservación y disipación, antes de pasar al concepto de energía mecánica.
Por otro lado, investigaciones más actuales pero relacionadas con los trabajos precedentes,
expresan concretamente algunas de las dificultades que tienen los estudiantes para la
asimilación de tales conceptos, entre las cuales se destaca que para el estudiante es usual
asociar la energía solo con los cuerpos en movimiento, pensar en la energía como una
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sustancia material que se consume y que puede gastarse, confundir las formas de energía con
sus fuentes y por tanto no distinguir entre tipos y transformaciones de energía y pensar que
la energía potencial pertenece al cuerpo y no a la interacción entre los cuerpos (Perrota et al,
2008).
Por su parte Solbes y Tarín (1998), reportan como una de las dificultades identificadas
con mayor relevancia en la enseñanza, aquella relacionada con la no activación de los
esquemas de transformación, conservación y transferencia de energía sin los cuales no es
posible comprender el concepto de energía ni el principio de conservación. Esta dificultad se
debe posiblemente a la manera desarticulada en la que se enseña la energía y el principio de
conservación, ya que, en termodinámica, por ejemplo, se enseña dicho principio haciendo
referencia a un gas en un recinto cerrado, estableciendo escasa o nula vinculación con las
situaciones mecánicas, lo cual tiene como consecuencia que el estudiante no lo aplique en
otras situaciones físicas. Además, estos autores señalan que la dificultad también radica en
que los estudiantes continúan utilizando sus preconceptos y no tienen claro si la conservación
de la energía es un principio o un teorema.
También se estima que estas dificultades están en estrecha relación con la diversidad de
definiciones y enfoques que se encuentran en los libros de texto y demás fuentes que
consultan los estudiantes, sumadas a las definiciones que son usualmente utilizadas por los
profesores en el aula, en la cual aquella en la que se define la energía como la capacidad de
realizar trabajo se convierte en una de las mayormente citadas. Al respecto González (2006)
expresa dos razones por las cuales dicha definición presenta dificultades: al definir el trabajo
como energía en tránsito junto con el criterio de que la energía es la capacidad de
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realizar trabajo, la energía quedaría definida como la capacidad que tiene de transmitirse, lo
cual es confuso y no favorece su comprensión al ser un discurso circular y de excesiva
generalidad. Además, “los cuerpos o sistemas siempre tienen energía, aun cuando esa energía
haya perdido su capacidad para realizar trabajo” (González, 2006, p. 57).
Todas estas problemáticas traen como consecuencia que el estudiante presente
dificultades a la hora de resolver situaciones que exijan aplicar el principio de conservación,
ya que su aplicación se restringe a un aspecto mecánico en lo que se dejan de lado otros tipos
de energía y no consideran la energía interna.
Lo anterior motiva a indagar por ¿cómo estructurar el principio de conservación de la
energía para su enseñanza, a partir de un análisis histórico y epistemológico de los
planteamientos de Robert Mayer?
1.2 Objetivos
Objetivo general
Estructurar el principio de conservación de la energía para su enseñanza, a partir de un
análisis histórico y epistemológico de los planteamientos de Robert Mayer
Objetivos específicos
Identificar los aspectos estructurantes del principio de conservación de la energía
planteados por Mayer en sus obras “bemerkungen über die kräfte der unbelebten natur”
(comentarios sobre las fuerzas de naturaleza inanimada, 1842) y “Die organische
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bewegung in hirem zusammenhange mit dem stoffwechsel” (El movimiento orgánico en
su relación con la transformación de la materia, 1845).
Caracterizar los modelos explicativos de cuatro (4) casos relacionados con el principio
de conservación de la energía.
Diseñar una secuencia didáctica en la que se desarrolle el principio de conservación de
la energía teniendo en cuenta los planteamientos teóricos de Mayer y los modelos
explicativos que se construyan a partir del análisis de los cuatro (4) casos.
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Capítulo 2. Marco teórico
Es necesario señalar en primera instancia la importancia del principio de conservación de
la energía en la física clásica, dado que este puede ser considerado como un eje estructurante
y unificador, ya que su estudio favorece la comprensión de múltiples fenómenos de la
naturaleza. Sin embargo, se percibe tanto en el trabajo en el aula como en las investigaciones
realizadas, la persistencia de dificultades con su comprensión y la posibilidad de articularlo
con la experiencia y la vida cotidiana.
Por ello y con el fin de estructurar el principio de conservación de la energía para su
enseñanza, se buscó identificar el estado actual de dichas dificultades así como posibles
alternativas, enmarcar el presente estudio en una línea de investigación y posteriormente,
configurar una cosmovisión en la que propiedades tales como la causalidad,
indestructibilidad y convertibilidad se tomaron como puntos de referencia para la
comprensión de este principio. Todo esto se hizo posible tomando la historia y la
epistemología de las ciencias como la base para situar cada uno de los conceptos en su
contexto histórico y su interpretación.
2.1. Energía y conservación en el contexto de la enseñanza
Al realizar una revisión bibliográfica acerca de los conceptos de energía y su
conservación, se encuentran múltiples investigaciones, entre las cuales hay algunas clásicas
tales como (Gallástegui & Lorenzo, 1993; Michinel & D’Alessandro, 1994; Solbes y
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Tarín, 1998; Mellado, 1998; Driver, 1999) y mucho más recientes, pero encontrando varios
puntos en común con los anteriores trabajos se encuentran (Doménech, Gil, Gras, Martínez,
Guisasola y Salinas, 2001; Hodson, 2003; López y Katia, 2004; Núñez, Maturano, Mazzitelli
y Pereira, 2004; González, 2006; Solbes, 2007; Solbes y Tarín, 2004 y 2008; Dima, Follari,
Perrotta y Gutiérrez, 2011). En estas investigaciones no solo se ponen de manifiesto las
dificultades existentes para su comprensión y enseñanza, sino también unas posibles
alternativas.
En ellas, de manera general, se señala que en la enseñanza se tiende a mostrar un concepto
de energía muy generalizado, con lo cual los estudiantes no comprenden el verdadero
significado de la energía sino tan solo lo que produce, confundiendo las formas de energía
con sus fuentes. Se estima que esto se debe a que la principal fuente a la que recurren los
maestros de ciencias son los libros de texto, los cuales indirectamente se convierten en
fuentes generadoras de concepciones previas en los estudiantes. Se señala, entre otras cosas,
que en los libros de texto se presenta la energía restringiéndola, en la mayoría de los casos,
a situaciones mecánicas; se evita abordar la energía desde un punto de vista conceptual y
solo se habla de sus efectos, constatándose una falta de consenso en lo que se entiende por
energía; además, en muchos de ellos, pese a que el principio de conservación fue establecido
hace dos siglos por Mayer y otros, se habla en términos provenientes de la teoría del calórico
(Michinel y D’Alessandro, 1994).
En consecuencia, los estudiantes presentan dificultades en la interpretación de la energía
cuando está asociada a la posición de un cuerpo y piensan principalmente en la energía solo
en situaciones en las que se da movimiento; no tienen en cuenta las variaciones en la
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energía interna, y no activan los esquemas de transformación, conservación, transferencia y
degradación de la energía, sin los cuales no es posible entender el concepto ni el principio de
conservación, así como su papel articulador de toda la física. Además, no se hacen los
suficientes esfuerzos en el aula para relacionar el principio de conservación con situaciones
cotidianas con las cuales estén familiarizados los estudiantes y puedan comprender con
mayor facilidad su formulación.
Por su parte, Solbes y Tarín (2008) proponen la historia de las ciencias como una
alternativa a estas dificultades, puesto que a partir de los obstáculos encontrados en el
desarrollo de las teorías científicas es posible extraer información sobre las dificultades que
pueden tener los estudiantes para su comprensión. De hecho, al hacer un paralelo entre ellas
se encuentran algunas similitudes, tales como: la tendencia que se observa en los alumnos a
considerar sólo la energía asociada al movimiento, siendo ésta a nivel histórico la primera
manifestación considerada, mientras que la energía potencial fue considerada dos siglos
después; el que los alumnos consideren que el calor es una sustancia que pasa de un cuerpo
a otro, coincidiendo con la idea del calórico; no diferenciar entre calor y temperatura, tal
como sucedía antes de las experiencias de J. Black; y finalmente en cuanto al principio de
conservación, el cual no se presenta como un principio en los libros de texto ya que lo
deducen de las leyes de la dinámica, asemejándose esta situación con su desarrollo histórico,
pues su estatus oscilaba, según la escuela de pensamiento, entre principio fundamental y
corolario. Además, no se tienen en cuenta los aportes de la teoría de campos o la física
moderna, transmitiéndose una idea incompleta de la energía y su conservación en todos los
fenómenos de los diversos campos de la física.
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Por todo lo anterior, se hace necesario buscar alternativas con las cuales se pueda hacer frente
a los problemas expuestos, y en este sentido la historia y epistemología de las ciencias cobra
una gran relevancia en las propuestas didácticas y pedagógicas que se puedan plantear para
el mejoramiento de los procesos enseñanza y aprendizaje, especialmente en el caso particular
del principio de conservación de la energía, ya que esta permite profundizar en el
conocimiento disciplinar y además propicia escenarios de reflexión sobre la enseñanza de
las temáticas desde un punto de vista crítico y adaptado a las particularidades del contexto.
Además, favorece la aplicación de estrategias científicas por parte de los alumnos tales como
el planteamiento de problemas y la generalización de conceptos (Solbes y Tarín, 2008).
2.2. Historia y epistemología en la enseñanza de la física
Al hacer una revisión de la literatura, es observable la preocupación cada vez más
creciente por la incorporación de la historia y la epistemología de las ciencias en el currículo
o programas de formación de maestros, en tanto se reconoce el aporte que hace a una
enseñanza contextualizada y crítica, además de permitirle al maestro en formación tener un
mayor conocimiento de la estructura de la ciencia, lo cual, a su vez, se traduce en un
conocimiento más profundo sobre los conceptos científicos y el reconocimiento de su lugar
en el marco intelectual. Por tanto, su incorporación no solo enriquece la formación del
maestro de ciencias, sino el proceso educativo que posteriormente llevará a cabo, puesto que
se pretende con ello desplazar la visión clásica de la enseñanza de las ciencias, la cual se
centra en la asimilación de los productos científicos dejando de lado la
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comprensión de los fenómenos y problemáticas que dieron origen a tales productos.
En este sentido, diversos autores como Matthews (1994), Rodríguez y Romero (1999),
Aguilar (2006), Castillo (2008) entre otros, coinciden en señalar el uso de la historia y la
epistemología como una posible alternativa a la crisis que se presenta actualmente con la
enseñanza de las ciencias, dado que, según estos autores, bajo los lentes histórico y
epistemológico, las ciencias se humanizan y se acercan a los intereses personales, éticos,
culturales y políticos. Además, las clases se convierten en oportunidades para desarrollar el
pensamiento crítico, a la vez que son más estimulantes y reflexivas en tanto los contenidos
científicos se comprenden de mejor manera y las fórmulas y ecuaciones pasan a tener un
significado que antes pocos conocían, lo cual contribuye a su interiorización.
Adicionalmente, se defiende una enseñanza de las ciencias contextualizada, donde los
estudiantes conozcan y comprendan las diversas formas que han tenido las ideas científicas
a lo largo del tiempo y cómo dichas ideas son afectadas por los contextos social, moral,
espiritual y cultural en los cuales se desarrollan (Matthews, 1994), puesto que con esto se
favorece una visión de la ciencia en la que los productos científicos son cambiantes y por
tanto es posible hacer ciencia, desplazando de esta manera la idea de ciencia como cúmulo
de conocimientos acabados y que solo es posible memorizar pero no comprender ni mucho
menos construir (Rodríguez y Romero, 1999).
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Bajo estas circunstancias, al recrear los problemas iniciales que se plantearon en la
física, se fortalece de un lado el componente disciplinar, en tanto hay una reflexión en torno
a los conceptos lo cual mejora su comprensión; pero también el componente pedagógico y
didáctico, en tanto puede surgir una reorganización conceptual y nuevos enfoques que den
solución al problema original (Aguilar, 2006). Esto permite entonces ver la física como una
disciplina históricamente constituida lo cual, a su vez, genera procesos de
recontextualización de saberes por parte de los maestros, la toma de una posición crítica
frente a su saber (cómo lo comprende, qué comprende, cómo enseñarlo…), así como tener
en cuenta los aportes que diversos autores han hecho a cada una de las temáticas, en lo cual
el papel de la historia y la epistemología de las ciencias es determinante (Ayala, 2000, citado
por Aguilar, 2006).
Por este motivo, se considera que asumir la enseñanza del principio de conservación de la
energía desde un lente histórico y epistemológico puede contribuir a su resignificación,
reconociendo de esta manera los factores determinantes para la identificación y comprensión
de los problemas que inicialmente se plantearon y que dieron origen a su formulación, así
como establecer conexiones con los intereses actuales. Por lo anterior, se analizarán las obras
de Julius Robert Mayer con el fin de formalizar el principio de conservación de la energía y
sus axiomas estructurantes, ya que desde este autor es posible explicarlos no solo de manera
algorítmica, sino teniendo en cuenta los aspectos conceptuales que encierra dicho principio,
lo cual nos proporcionará herramientas para
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diseñar estrategias que propendan por su comprensión en el intento por aminorar las
problemáticas existentes. Además, es de destacar que, este autor, aunque es cuidadoso y
minucioso a la hora de establecer dicho principio, siempre recurre a ejemplos prácticos y
cotidianos, lo cual favorece su comprensión y permite llevarlo con mayor facilidad al aula.
2.3. La energía y conservación desde la perspectiva de Julius Robert Mayer.
Robert Mayer en sus obras “Comentarios sobre las fuerzas de naturaleza inanimada”
(1842)1 y “El movimiento orgánico en su relación con la transformación de la materia”
(1845)2 hace un análisis sobre lo que él llama fuerzas, que en términos actuales sería lo que
conocemos como energía, considerándolas como las causas del movimiento y de la caída de
los cuerpos. Así mismo, a partir de esta caracterización da algunos elementos que permiten
establecer el principio de conservación de la energía, lo cual ilustra con ejemplos en los que
se evidencian procesos de transferencia y transformación.
Para lograr sus propósitos Mayer (1842, 1845) apela a una estrategia de formalización en
la que sus planteamientos se convierten en los ejes organizadores que luego le van a permitir
decir que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma, y que por consiguiente
se debe conservar. En primera instancia redefine la manera en que se va a entender la
causalidad, la cual va a estar enmarcada, en los términos de Cassirer (1979) en la cosmovisión
fenomenológica (energética), modo de ver que se constituye en el escenario
1 La versión original de este texto fue tomada de Magie, E.F. (1963). La traducción del
inglés al español fue realizada por la autora de esta investigación. 2 La versión original de este texto fue tomada de R.B. Lindsay (1973).
20
fértil para explicar los fenómenos en función de una relación mutua o de interdependencia.
Esto lleva a que la causalidad sea entendida como una función, distanciándose así de la
cosmovisión realista (mecanicista) en la cual se asume una relación unidireccional de
dependencia, con una relación lógica entre un antes y un después. Como consecuencia de
esto y contrario a lo planteado por Mayer (1842), la causalidad era significada como el
principio que dicta la necesidad de llegar hasta la causa última del fenómeno (Vélez, Ríos y
Marín, 2015), entendiendo la causa como el agente que “produce en todo tiempo y bajo las
mismas circunstancias externas, efectos iguales” (Cassirer, 1979, p.4).
Por otra parte, esta resignificación de la causalidad conlleva a que para las causas se
definan ciertas propiedades que estén en consonancia con el cambio de cosmovisión. En este
sentido, Mayer (1842) describe dos propiedades esenciales de las causas llamadas
indestructibilidad y convertibilidad, propiedades que se convierten en los pilares sobre los
cuales descansa lo que hoy conocemos como la formulación del principio de conservación
de la energía. Con estas propiedades establece que las causas (fuerzas) son cuantitativamente
indestructibles y cualitativamente convertibles.
Para comprender el principio de conservación de energía desde los planteamientos de
Mayer (1842, 1845) examinemos los fundamentos con los cuales conceptualiza este
principio.
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2.3.1 Ejes estructurantes del principio de conservación de la energía: Causalidad,
indestructibilidad y convertibilidad
Causalidad: Desde Mayer la causalidad puede ser entendida como una cadena de eventos,
en la que una causa es igual a un efecto y, a su vez, ese efecto es igual a una causa, de manera
que si una causa c produce el efecto e tenemos c=e, pero si a su vez el efecto e produce una
causa f, tenemos e=f…=c. En consecuencia, no es posible distinguir entre lo que es causa y
lo que es efecto y más bien se habla de una multiplicidad de causas y efectos o
interdependencia de fenómenos, por lo cual fenómenos como el movimiento no se explican
en función de la fuerza como se suele hacer, sino en función de otro fenómeno, que en este
caso puede ser el movimiento mismo o el calor, y de ser el calor, este se explica en función
del movimiento. Además, debido a que en Mayer (1842) los efectos son indistinguibles (o
intercambiables) de las causas, manifestaciones de la energía tales como el movimiento y el
calor no necesariamente son efectos como lo consideramos en la actualidad, sino que también
pueden ser causas. Esto Mayer (1845) lo ilustra cuando expresa que: “El calor calienta, el
movimiento mueve” (p. 79). Esto es, si una masa móvil encuentra otra en reposo, esta última
adquiere movimiento mientras que la primera pierde algo del que traía. Esta situación es
ilustrada por Mayer con el siguiente ejemplo:
Si en el billar la bola blanca colisiona directamente con la roja, la blanca pierde su
velocidad y la roja se mueve con la velocidad que la blanca ha perdido. Es el
movimiento de la bola blanca que, cuando se gasta, provoca el movimiento de la roja
o podemos decir se transforma en este último. El movimiento de la bola blanca es una
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forma de energía. El movimiento de la roja es un efecto que es igual a la causa; también
es una forma de energía. (1845, p. 79)
Aquí es importante anotar que la colisión de una bola en movimiento puede provocar el
movimiento de otras bolas y aún continuar moviéndose, por lo cual podemos decir que la
magnitud de la energía cinética de todo el sistema se mantiene antes y después de la
colisión. Se resalta entonces cómo desde Mayer (1845) el movimiento puede ser causa del
movimiento mismo (el movimiento produce movimiento).
Adicionalmente, si se entiende la causalidad como una interdependencia de
fenómenos, una función o cadena de eventos, la explicación de un fenómeno se da en función
de otro fenómeno, de manera que la preocupación no está centrada en determinar la causa
que produce un efecto, sino en la relación que se puede establecer entre los efectos que
permiten explicar la ocurrencia de los fenómenos, lo cual es clave para entender cómo Mayer
(1842) llega a que la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma. Al respecto,
Mayer (1845) propone el siguiente ejemplo en el cual se puede visualizar un modo de
entender la causalidad:
[…] Supongamos que una masa de 1 libra comienza a moverse hacia arriba con una
velocidad de 30 pies por segundo. Después de 1 segundo, el movimiento ha cesado, y la
masa de 1 libra ha sido levantada a 15 metros sobre el suelo. La energía que se ha puesto
de relieve a este peso es su movimiento; lo que antes era efecto ahora es la causa, lo que
era causa ahora se ha convertido en efecto. La energía de caída se ha transformado en
movimiento y el movimiento a su vez transformado en energía de caída. (p. 81).
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Energía de caída es lo que actualmente conocemos como energía potencial gravitacional, de
manera que cuando tenemos un objeto levantado a unos metros sobre el suelo decimos que
posee dicha energía; por su parte, la energía que aparece cuando hay movimiento la
conocemos como energía cinética, que en términos de Mayer se conoce como la fuerza viva
(vis viva). El ejemplo anterior entonces puede traducirse en términos actuales considerando
una piedra que es lanzada hacia arriba hasta que pierde por completo su movimiento y se
detiene. Hasta aquí podemos decir que el movimiento (energía cinética) se transformó en
energía potencial. Sin embargo, una vez sucede esto la piedra nuevamente empieza a caer,
de manera que la energía potencial se transforma en movimiento, con lo cual es claro
entonces que la causa produjo un efecto que a su vez se convirtió en la causa de otro efecto.
Esta relación, que más arriba se denotó como e=f…=c es la base para los siguientes
planteamientos que hace Mayer en relación con la conservación de la energía ya que en esta
ecuación, debido precisamente a su naturaleza, ningún término puede ser igual a cero (0). El
hecho de que ningún término en la ecuación pueda ser cero (0) nos lleva a concluir la
imposibilidad de la desaparición de las causas y los efectos, y de acuerdo con Mayer (1845),
no hay efecto sin causa, ninguna causa desaparece sin su efecto correspondiente: “Ex nihilo
nil fit. Nihil fit ad nihilum (De la nada, nada sale. No pasa nada por nada).” (p. 78).
Esta es entonces la primera propiedad que describe Mayer (1842) para las causas, la cual
surge como consecuencia de asumir la causalidad como una relación mutua o
interdependencia entre los fenómenos junto con el principio básico de que “nada pasa por
nada”. Esta propiedad es la que él llama indestructibilidad: las causas son agentes
indestructibles, esto implica que los fenómenos no se pueden aniquilar, es decir no se pueden
reducir a cero (0). Por lo anterior podemos decir que tanto el calor como el movimiento,
24
ambos equivalentes a fenómenos, causas o efectos no pueden desaparecer, y por tanto el calor
puede ser la causa del movimiento y, a su vez, el movimiento la causa del calor. En el caso
de una locomotora, por ejemplo, el calor producido en la caldera provoca el movimiento de
ésta por los rieles, pero a su vez el deslizamiento de la locomotora por los rieles produce
calor, lo que también sucede al frotar dos placas de metal.
Notemos que en el caso del frotamiento de las placas de metal el calor que se produce es
cuantitativamente igual al movimiento que lo origina, lo cual está justificado por la propiedad
indestructible de las causas y el hecho de que en la cadena e=f…=c, no hay ningún factor
externo que pueda intervenir puesto que la igualdad se modificaría. Sin embargo, aunque
cuantitativamente la cantidad de movimiento se mantiene, se produce un cambio cualitativo
dando origen al calor. Notemos, además, y es clave tener esto en cuenta al analizar las obras
de Mayer (1842, 1845) que en este caso el calor se asume como un tipo de energía, contrario
a la manera en que se conceptualiza actualmente, donde se entiende que el calor es un proceso
de transformación de la energía y no energía en sí mismo. El asumir el calor como un tipo de
energía es lo que le permitirá a Mayer (1842) plantear las propiedades.
La segunda propiedad que describe Mayer para las causas, es la que él denomina
convertibilidad, y hace referencia a las diversas formas en que pueden manifestarse las
causas, convirtiéndose unas en otras. Notemos además que cuando se tiene una causa c que
produce un efecto e, decimos, por la causalidad e indestructibilidad, que c=e, de manera que
cuando esta igualdad se cumple c ha dejado de ser c en su totalidad para convertirse en e. Sin
embargo, si no aparece c en su totalidad, es decir c<e, lo cual es contrario a la suposición
c=e, entonces sabemos que la parte restante debió haber producido otros efectos. En
consecuencia, dice Mayer, “puesto que c se convierte en e, y e se convierte en f,
25
etc., debemos considerar estas diversas magnitudes como diferentes formas bajo las cuales
un mismo objeto hace su aparición” (1842, p.196).
Lo anterior está justificado en la propiedad de la convertibilidad de las causas, la cual
además nos permite hablar de las diferentes transformaciones que se pueden dar en un
sistema, para continuar así la cadena de causas y efectos. Un ejemplo de transformación
cualitativa puede observarse también en una máquina de vapor, en la cual el calor se convierte
en el movimiento de un peso o la elevación del mismo, donde la cantidad de movimiento es
cuantitativamente igual a la cantidad de calor. Nótese además que en el caso de la máquina
de vapor y de la locomotora el calor se está tomando como una causa y no como energía
degradada como se suele tomar en la actualidad.
2.3.2 El principio de conservación desde la perspectiva de Mayer
Hasta aquí hemos explorado los ejes estructurantes planteados por Mayer para establecer
el principio de conservación de la energía, siguiendo una secuencia lógica en su manera de
pensar. Notemos que la propuesta de Mayer, además de constituirse en una estrategia
metodológica, puede ser asumida como una manera de ver o de pensar que nos permite
organizar ciertas fenomenologías y construir explicaciones acordes con este modo de
proceder. En primera instancia, se asume la causalidad como una cadena de eventos o
sucesos, es decir como una función o interdependencia de fenómenos, de manera que una
causa c produce un efecto e y este efecto e produce otro fenómeno f. Esto inmediatamente
nos lleva a la propiedad indestructible de los fenómenos, puesto que se está asumiendo que
la causa no puede desaparecer y además debe producir un efecto igual a ella, donde
cuantitativamente (numéricamente) decimos c=e, lo cual nos permite concluir la
26
convertibilidad de las causas. Al asumir que c=e, es decir, que el número se conserva (la
causa como agente indestructible) al no aparecer c en su totalidad queda la pregunta por lo
que pasó con lo restante, de allí que se piense en diversas formas en las que se pueda haber
manifestado esa causa, conservándose el número, pero cambiando de naturaleza (cambio
cualitativo).
Se puede ilustrar esta metodología pensando en un objeto cualquiera que se pone en
movimiento sobre una superficie plana. Al cabo de unos segundos, el objeto se detendrá, lo
cual, como asumimos la causalidad, nos llevará a preguntarnos por qué se detuvo. Luego,
como asumimos la indestructibilidad, nos preguntamos en qué se invirtió la totalidad del
movimiento que el objeto llevaba, lo que tiene como consecuencia inmediata que nos
preguntemos las distintas formas en las que, con la finalidad de que el número se conserve,
se manifiesta ese movimiento (convertibilidad).
En este sentido, las fuerzas (causas) para Mayer (1842, 1845) son entidades que solo
pueden llegar a ser identificadas en relación a la convertibilidad de fenómenos
identificándose inicialmente dos fuerzas: la de caída (energía potencial) y la del movimiento
o vis-viva (energía cinética), de manera que si se tiene un efecto mecánico en la que una
fuerza es transformada en la otra, desde Mayer (1842, 1845) dicho efecto mantiene un valor
constante. En esta situación aparece entonces el primer planteamiento de conservación de la
fuerza o energía. Sin embargo, este se amplía cuando se tienen en cuenta situaciones en las
que un movimiento desaparece sin producir otro movimiento o levantar un objeto, en lo que
aparecen otros tipos de fuerzas a considerar, en este caso el calor.
27
Debido a que no es posible que el movimiento desaparezca sin producir otro efecto,
hecho que se asume por la causalidad e indestructibilidad de los fenómenos, es necesario
pensar en qué otra forma puede manifestarse el movimiento cuando no reaparece en un
efecto mecánico. Para ello, y es clave para Mayer, la experiencia es la
única que puede proveer información. Por esto al frotar dos placas de metal entre sí y
encontrar que el movimiento da lugar al calor, se llega a la conclusión de que el calor es
también una fuerza que, al ser producida por una fuerza mecánica, de igual manera puede a
su vez transformarse en una fuerza de tipo mecánico. El movimiento produce calor, el calor
produce movimiento… la energía se conserva.
Por tanto, teniendo en cuenta la causalidad, la indestructibilidad y convertibilidad de
los fenómenos, además de la información obtenida por la experiencia y la necesidad de
formular un principio que permita explicar las conexiones entre diversos efectos, se concluye,
en general, que las diversas formas de la fuerza (energía) pueden transformarse unas en otras
y de esta manera mantener un valor constante en el universo, llegando así a la formulación
de El Principio de Conservación de la Energía.
28
Capítulo 3. Marco metodológico
3.1 Enfoque y método
En el presente estudio se aborda un problema educativo, entendiendo que el desarrollo
cognitivo de los estudiantes está mediado por el contexto social y cultural en el que se
desenvuelven, lo cual exige una interpretación con carácter flexible. Por ello, no se pretende
suprimir estas particularidades para enfatizar en aspectos disciplinares, sino tener en cuenta
la complejidad de las relaciones humanas que se tejen en condiciones específicas y sus
implicaciones en los procesos de enseñanza y aprendizaje de las ciencias, y particularmente
en la física. Por lo anterior, se escoge como enfoque de investigación un enfoque cualitativo,
en el cual no se busca generalizar ni evaluar hipótesis o teorías preconcebidas, sino
comprender cómo comprende el otro dentro de su propio marco de referencia, en este caso
particular comprender las concepciones que tienen los estudiantes acerca de la energía y su
conservación.
Para lo anterior se tiene en cuenta lo descrito por Hernández, Fernández y Baptista
(2006), según lo cual, el enfoque cualitativo aplicado en una investigación con seres
humanos, el interés está centrado en los conceptos, percepciones, pensamientos,
experiencias y procesos manifestados en el lenguaje de cada uno de los partícipes de la
investigación. Para ello se lleva a cabo un estudio enmarcado en situaciones cotidianas y
naturales para los casos, donde el investigador está inmerso en el proceso y es partícipe desde
el inicio, de manera que no es ajeno a las vivencias y problemáticas y por tanto experimenta
la realidad tal como es experimentada por los casos seleccionados. Esto
29
permite identificarse con ellos de tal manera que se puede comprender cómo ven las cosas
atendiendo a su contexto y vivencias personales, lo cual se logra a través de la interacción en
el aula de clase y en actividades académicas, culturales, entre otras, en aras de reconocer
cómo es concebido el principio de conservación de la energía y las coincidencias con los
significados históricos anteriormente expuestos.
Debido a que no se pretende generalizar en un sentido estadístico, sino que se busca
caracterizar los modelos explicativos que tiene cada caso sobre el principio de conservación
de la energía, se ha seleccionado el método de casos para la investigación. Este método, de
acuerdo con Solano (2005) permite estudiar eventos humanos y acciones en sus escenarios
naturales, y además “provee información de varias fuentes y durante un periodo que permite
un estudio holístico de complejas redes sociales y de la complejidad de la acción social y sus
significados sociales” (p. 120).
Por otro lado, de acuerdo con Stake (1999) y la clasificación que hace sobre el método de
casos, la presente investigación se basa en el método de casos instrumental, debido a que el
interés está centrado en el estudio del principio de conservación de la energía y para ello se
seleccionan algunos casos, de manera que aporten información, pero no son el objeto de
estudio. Además, y siguiendo con Stake (1999) la investigación llevada a cabo con este
método “comparte la carga de clarificar las descripciones y de dar solidez a las
interpretaciones” (p. 91) con lo cual proporciona herramientas que permite la reexaminación
e interpretación innovadora de conceptos científicos, tales como el principio de conservación,
cuyo análisis puede derivar en propuestas pedagógicas que, desde una mirada histórica y
epistemológica, busquen alternativas a las problemáticas encontradas,
30
donde se reivindique el papel del estudiante y del profesor como sujetos activos en la
construcción social del conocimiento científico. En este sentido, se han retomado las obras
de Julius Robert Mayer (1842, 1845), las cuales a partir de su análisis histórico y
epistemológico permiten formalizar el principio de conservación de la energía y sus axiomas
estructurantes, teniendo en cuenta los problemas que se plantearon inicialmente hasta llegar
a su formulación.
3.2 Contexto de investigación
La presente investigación se realizó en la institución educativa Francisco Luis Hernández
Betancur, la cual se encuentra ubicada en el barrio Campo Valdés, Medellín, Antioquia,
barrio de condición socioeconómica media-baja; esta institución se ubica en la dirección calle
87 NO 50AA – 21. Es una entidad oficial, adscrita a la Secretaría de Educación del municipio
de Medellín, enmarcada en un proyecto de Gestión de la Calidad y la Inclusión Educativa.
La Institución cuenta con Jornada Única diurna y es de carácter mixto. El nivel de estrato
socioeconómico de su población oscila entre 1 y 3, lo cual, sumado a que es una institución
que cuenta con población sorda, vidente e invidente, la convierte en un escenario donde se
evidencian problemáticas de carácter familiar, social y económico. Lo anterior se traduce en
mayores dificultades para llevar a cabo los procesos educativos, ya que algunos estudiantes
no manifiestan una adecuada actitud y además las diversas situaciones a las que debe atender
la institución y que se presentan dentro de ella, dado que el proceso de inclusión que se lleva
a cabo en la actualidad, en algunas ocasiones retrasan los contenidos a enseñar según el plan
de estudios establecido.
31
Esta institución cuenta con diversos escenarios complementarios a las aulas de clase, tales
como: canchas de fútbol, baloncesto, voleibol y vóley playa, amplias zonas verdes, una
piscina, una biblioteca con textos en tinta y braille, un aula de informática y aulas de apoyo
donde se brinda atención de manera particular a los estudiantes ciegos y otras para los sordos,
como complemento al proceso educativo. Además, la mayoría de aulas cuentan con
ordenadores y proyectores, los cuales favorecen y enriquecen el proceso de enseñanza. Así
mismo, estas condiciones favorecieron la aplicación de los instrumentos vía recolección de
los datos.
3.3 Casos y criterios de selección
En esta investigación se seleccionaron cuatro casos teniendo en cuenta unos criterios
orientados a que cada uno de ellos pudiera aportar información relevante para el
cumplimiento de los objetivos planteados. Esta selección se apoyó en la observación
realizada en el aula de clase, junto con el registro que se llevaba a cabo en el diario
pedagógico, lo cual permitió conocer el perfil de los estudiantes y así llegar a su elección. No
obstante, en el análisis final de los datos, solo se tuvieron en cuenta tres de los cuatro casos,
ya que surgieron dificultades para la realización de la entrevista a uno de ellos por
condiciones médicas. Dado lo insuficiente que resultó la información suministrada por el
caso en los dos instrumentos iniciales para caracterizar su modelo explicativo en relación
32
con el principio de conservación de la energía, este caso no es reportado en el capítulo de
hallazgos.
Los cuatro casos estuvieron conformados por dos hombres y dos mujeres, con un rango
de edades que oscila entre los 16 y 18 años, y se seleccionaron atendiendo a los siguientes
criterios:
En primer lugar, que pertenecieran al grado once, puesto que con esto se garantizaba un
conocimiento por parte de los casos sobre el tema; no queriendo decir con ello que se pretenda
evaluar ni dar apreciaciones sobre el proceso de enseñanza por parte de sus profesores de
ciencia, sino garantizar una relación previa de los casos con el principio de conservación. En
segundo lugar, se tuvo en cuenta que fueran estudiantes que mostraran interés y fueran
participativos, ya que pueden dar a conocer sin mayores dificultades sus apreciaciones sobre
un tema en concreto, así como identificar en ellos una mayor tendencia a buscar y dar
explicaciones a diversas situaciones que les sean planteadas, con lo cual se puede llegar a
conocer cómo comprenden el concepto. En tercer lugar, se buscó en ellos una actitud de
compromiso con las actividades, pues se hacía indispensable garantizar la continuidad de
todos los casos en el proceso principalmente porque se requería aplicar algunos instrumentos
en horas extracurriculares. Y finalmente, pero no por ello menos importante, se tuvo en
cuenta su gusto e interés por la física particularmente, puesto que se requería una
participación activa, comprometida y fructífera en las diferentes actividades que les fueron
planteadas, en lo cual se estima que el gusto por el tema en concreto favorece dichas
características.
33
3.4 Recolección de la información
La recolección de la información se llevó a cabo en tres sesiones, las cuales tuvieron una
duración de dos horas aproximadamente. La entrevista se realizó de manera individual con
cada participante, y las demás actividades fueron explicadas en conjunto a los cuatro casos,
pero cada uno de ellos trabajó individualmente en su hoja de respuestas. A continuación, se
hará una breve descripción de los métodos e instrumentos que fueron utilizados en la
recolección de los datos.
Observación: Durante esta investigación se llevó a cabo una observación de los casos en
su contexto escolar, con el fin de recolectar información acerca de su comportamiento, interés
y participación en las diferentes actividades, los cuales sirvieron como criterios para
posteriormente hacer la selección de los casos que participaron en la investigación. En este
sentido, la observación se entendió como “la investigación que involucra la interacción social
entre el investigador y los informantes en el medio de los últimos, durante la cual se recogen
datos de modo sistemático y no intrusivo” (Taylor & Bogdan, 1987, p. 29).
Los registros obtenidos fueron recolectados en una bitácora de observación (ver anexo 1),
donde no solo se hicieron anotaciones con respecto a las diferentes actividades que se
realizaban en las clases, sino interpretaciones como investigadora acerca de las actitudes que
tomaban algunos de los estudiantes con respecto a las mismas, teniendo en cuenta su contexto
particular. La información recolectada en la bitácora de observación sirvió como guía a la
hora de diseñar la secuencia didáctica, puesto que permitió hacer el seguimiento a
34
las dificultades existentes en el aula, no solo de tipo académico o la comprensión de los
temas, sino de tipo social y familiar.
Lo anterior fue complementado con la información recolectada en el diario pedagógico,
el cual, de acuerdo con Porlán y Martín (1999) se constituye en una herramienta de
investigación en el aula, de manera que permite identificar problemáticas y registrar
información sobre la cual se está volviendo constantemente para su reflexión, revisión y
análisis, a partir de lo cual pueden surgir ideas para plantear propuestas de enseñanza con las
que dar solución a las problemáticas encontradas y así conseguir un proceso de aprendizaje
fructífero. En él entonces se registraron las experiencias más relevantes, se identificaron las
problemáticas existentes en el aula y se hizo seguimiento a los estudiantes de manera que se
pudo caracterizar su perfil, lo que sirvió posteriormente para elegir los casos participantes en
la investigación.
Encuentros académicos: Para llevar a cabo la investigación fue necesario generar
encuentros presenciales en horarios extra clase con los casos seleccionados para el estudio.
En dichos encuentros se aplicaron dos instrumentos, los cuales fueron diseñados siguiendo
las orientaciones del marco teórico y posteriormente validados. En el primero se indagó por
la transferencia de energía y el principio de conservación y la manera en que era caracterizado
por cada uno de los casos, a partir de situaciones extraídas de lo planteado por Mayer (1842,
1845), tales como la colisión de bolas de billar, el frotamiento de placas de metal y el
movimiento generado por el vapor de una caldera (ver anexo 3); en este los casos debían
responder de manera escrita a las preguntas planteadas, teniendo en cuenta cada una de las
situaciones. En el segundo se indagó por la transformación de la energía y la relación con el
35
principio de conservación, a partir de una actividad experimental sobre caída libre,
atendiendo a lo planteado por Mayer (1842) (ver anexo 4); posterior a la actividad los casos
debieron responder preguntas de manera escrita. Si bien cada instrumento tenía el objetivo
de indagar por un proceso en particular, al tener entre sí una conexión por medio del principio
de conservación, se indagó por los procesos de manera simultánea y teniendo como objetivo
comprender cómo comprenden los casos dicho principio.
Entrevista semiestructurada: Fue un método flexible y dinámico el cual, de acuerdo con
Hernández, Fernández y Baptista (2006), consiste en un encuentro intencionado entre el
entrevistado (quien hace las preguntas) y el entrevistador (quien responde las preguntas) con
el fin de recolectar información para la investigación. Este método tuvo como objetivo
generar una comunicación entre la investigadora y los casos, buscando que se expresaran de
manera libre, tranquila y natural. Además, gracias a los matices aportados en las respuestas
de los casos y la interrelación o conexión establecida entre los temas por la investigadora en
las entrevistas, fue posible construir un conocimiento e interpretación global acerca de la
caracterización que daba cada uno de los casos al principio de conservación.
Para este caso se utilizó como instrumento un protocolo de entrevista previamente
diseñado (ver anexo 2), en el cual las preguntas se plantearon atendiendo a las categorías
establecidas a partir del marco teórico (categorías apriorísticas). En él además se abordaron
algunas de las situaciones expuestas en los instrumentos anteriores, con el fin de hacer
claridad sobre algunos aspectos que no quedaron lo suficientemente claros y generaban
dificultades a la hora de interpretar la comprensión que tenían los casos sobre el principio de
conservación. Este protocolo sirvió como guía para la entrevista, sin embargo, en el
36
desarrollo de la misma surgieron otras preguntas. Las entrevistas fueron grabadas y
posteriormente transcritas con el fin de facilitar el análisis.
3.5 Sistematización y análisis de los datos
Con el fin de sistematizar y poder posteriormente analizar las respuestas de los casos, la
información recolectada fue organizada en matrices de doble entrada (ver anexos 5 y 6), en
cuyas columnas se ubicaron los casos y en las filas una paráfrasis o la respuesta textual que
daban a cada una de las preguntas. Esto permitió llegar a los asertos, los cuales, de acuerdo
con Stake (1999) hacen referencia a la interpretación fundamentada que el investigador hace
sobre la manera en que el caso comprende el concepto, a partir de lo cual, y teniendo en
cuenta las categorías previamente establecidas, fue posible construir una proposición general
en la que se resumió la manera en que cada caso comprendía el principio de conservación;
este aserto fue ubicado en la última fila. De manera análoga, para cada una de las preguntas
también se construyó un aserto, el cual fue ubicado en la última columna. En estos se
resumieron las puestas en común que tenían los casos para cada pregunta.
Para la construcción de los asertos se eligieron las líneas como unidad de análisis
(Hernández, Fernández y Baptista, 2006), puesto que no solo se tuvo en cuenta la frecuencia
de la utilización de los términos por parte de los casos para comprender su marco conceptual,
sino que fue incluso más importante el contexto en el que usaban dichas palabras, ya que esto
permitió darle el significado y una explicación como investigadora a la idea que plasmaba
cada uno de los casos.
37
Con el objetivo de aumentar la confiabilidad y coherencia interna de las interpretaciones se
aplicaron diversas estrategias de triangulación, entendida como la “combinación en un
estudio único de distintos métodos o fuentes de datos” (Denzin, 1978; Patton, 1980, citado
en Taylor & Bogdan, 1987, p. 91). Entre las que se destacaron diferentes métodos tales como
triangulación de datos (Hernández, Fernández y Baptista, 2006), a partir de la información
recolectada en los diferentes instrumentos, la observación y la entrevista; además, se hizo
triangulación con el marco teórico, es decir que los datos obtenidos fueron analizados a la
luz de los planteamientos allí establecidos, lo que se concretó en las categorías apriorísticas.
38
Capítulo 4. Hallazgos
En este capítulo se presentan los hallazgos de la investigación, obtenidos a partir del
análisis y sistematización de los datos arrojados por los instrumentos anteriormente descritos.
Los participantes en la investigación serán llamados casos o C1, C2 y C3 en las situaciones
donde se haga necesario particularizar, y en el caso de citar fragmentos de entrevistas la
entrevistadora se nombrará por E.
Con el fin de hacer más amena y fluida la lectura, en algunas ocasiones se especificó el
instrumento en el que se obtuvo la respuesta del Caso citado. Sin embargo, esto no siempre
se hizo, por lo cual si el lector desea entrar en detalle puede remitirse al anexo 5 y 6, donde
encontrará las matrices correspondientes a cada uno de los instrumentos. Adicionalmente,
con el fin de esclarecer y poner en contexto al lector, se añadieron entre paréntesis
comentarios por parte de la investigadora en algunas citas de los casos, es decir que todo lo
que aparezca entre paréntesis no corresponde a la respuesta del Caso sino a un
comentario añadido con el cual se aclara a lo que se refería el Caso cuando esto no es lo
suficientemente claro en la respuesta.
4.1 La Causalidad: Una interdependencia entre fenómenos.
Desde Mayer (1842, 1845) la causalidad es asumida como una cadena de efectos y causas,
donde unos son indistinguibles de los otros y por tanto fenómenos como el movimiento
pueden ser explicados no solo en función de la fuerza, como se hace en la actualidad:
39
el movimiento no se explica entonces solo como un efecto, sino en función de otro fenómeno.
Dicho fenómeno puede ser el calor (el que también es entendido como una causa o efecto) o
incluso el movimiento mismo. Es decir, bajo esta perspectiva fenómenos como el calor y el
movimiento no son considerados solo como efectos, sino que también pueden ser causas.
Esto lo expresa Mayer (1845) cuando dice: “El calor calienta, el movimiento mueve” (p. 3).
Por lo anterior, en este modo de entender la causalidad la preocupación no está centrada en
llegar hasta la causa que produjo el efecto, sino en la relación que se puede establecer entre
los fenómenos para explicar la ocurrencia de un fenómeno en función de otro fenómeno.
Con el fin de identificar cómo es entendida esta relación por los casos, se les
planteó varias situaciones extraídas de los presupuestos teóricos de Mayer, las cuales debían
ser analizadas para posteriormente explicarlas de acuerdo con sus ideas y conocimiento al
respecto. Entre ellas, se analizó lo que pasa cuando en el juego de billar la bola blanca impacta
la bola roja, el fenómeno que se observa al frotar dos placas de metal y el movimiento de la
locomotora que se produce gracias al vapor que expulsa una caldera.
Se identifica en los casos 1 y 2 la tendencia a explicar un fenómeno en función de
otro. Esto se ve reflejado en respuestas como: “[…] las placas creaban calor a partir de
fricción y energía cinética” (C 1); “ambos (las dos placas y la locomotora) están en una
situación de movimiento generada por la energía cinética” (C 2). Nótese que ambos casos,
aunque no hacen referencia explícita al movimiento, sí se refieren a la energía cinética la cual
es asociada con el movimiento del cuerpo. Por ello, se interpreta que los casos 1 y 2, de
acuerdo con lo planteado por Mayer, asumen la causalidad como la interdependencia de
40
fenómenos. El Caso 1 asume que el calor se produce por el movimiento, mientras que
el Caso 2 asume que el movimiento mueve.
No obstante, el Caso 1 también asocia a la aparición del calor la fricción, la cual, de
acuerdo con los asertos horizontales encontrados, es asumida por los cuatro casos como la
fuerza que aparece cuando se encuentran dos cuerpos en contacto y se encuentran en
movimiento. El Caso 3 lo dice explícitamente en el siguiente fragmento de la entrevista:
E: Cuando frotamos una placa de metal con otra notamos que éstas se calientan ¿cierto?
¿Tú por qué crees que aparece ese calor?
C3: Por la fricción entre las dos placas. Esa fricción genera calor.
E: ¿Y para ti qué es la fricción?
C3: Es una fuerza ¿no? Una fuerza que aparece cuando se frotan las dos placas.
E: ¿O sea que la fricción es una fuerza que aparece cuando se frotan dos cuerpos entre
sí?
C3: aja. Cuando hay dos cosas que están en contacto y se están frotando ahí hay fricción.
También se encontró que el Caso 1, habla de la fuerza como causa del movimiento,
pero a su vez, el movimiento también como causa. Cuando se le pregunta por el movimiento
de las bolas de billar dice lo siguiente: “la velocidad y fuerza de la bola blanca impulsa
completamente a la bola roja”. Esta fuerza de la que habla aparece como el “impacto” o
“golpe” (términos utilizados por C1 y C3) que se da entre la bola blanca y la bola roja.
41
De esta explicación pueden interpretarse dos cosas: por un lado, que para C1 el movimiento
es un efecto, donde la causa es la fuerza, alejándose entonces de la causalidad como cadena
de eventos. Pero por otro, se habla también de velocidad, en lo que deja entrever que de cierta
manera considera el movimiento de la bola blanca como una causa del movimiento de la bola
roja, lo cual sería más acorde con la explicación que da para la situación en la que reconoce
el movimiento como causa del calor. Se observa una tendencia en C1 a explicar los
fenómenos en función de otros, sin embargo es atravesado por los conceptos que se estima
pueden venir de sus clases de física, dado que actualmente el movimiento es explicado
siempre como el efecto de una fuerza que se aplica.
Por otro lado, C3 reconoce la fuerza como la causante de la aparición de la energía. Se notaba
durante la entrevista una tendencia a usar los términos “fuerza” o “energía” para referirse
indistintamente al mismo fenómeno. Por ello, se le hace la siguiente pregunta:
E: ¿Hay alguna diferencia entre energía y fuerza?
C3: sí… que la fuerza va antes de la energía.
E: ¿La fuerza va antes de la energía?
C3: Sí, que primero hay una fuerza que mueve un objeto o mueve alguna cosa y ahí
empieza a tener energía, cuando se aplica la fuerza.
Se observa en este fragmento que C3, tal y como se expuso en el planteamiento del
problema y el marco teórico, asocia la energía principalmente con el movimiento del objeto,
y no tiene en cuenta la energía asociada a la posición. Además, aparecen nuevas situaciones
42
en las que atribuye a la fuerza la causa del movimiento con lo cual se reafirma su posición,
como se evidencia en el siguiente fragmento:
E: Sabemos que el movimiento de una locomotora se da gracias al vapor que expulsa una
caldera. ¿Encuentras alguna relación entre el hecho de que las placas se calienten al moverse
y que la locomotora adquiera movimiento a partir de vapor?
C3: umh… a ver, pero es que la locomotora se mueve distinto ¿no? No es con fricción
como las placas. La locomotora se mueve por el calor del vapor.
E: ¿Quieres decir que, la locomotora se mueve gracias al calor?
C3: no… con la presión del vapor que suelta la caldera.
Aunque el caso en un principio atribuye al calor la causa de que la locomotora se mueva,
al interrogarlo explícitamente por esta situación argumenta que en realidad se da por la
“presión” (fuerza) que ejerce el vapor que expulsa la caldera. De esto se interpreta que, tanto
C1 como C2 acuden a la interdependencia de los fenómenos para explicar la ocurrencia de
los mismos, aunque C1 con ciertas acepciones, circunscribiéndose a la cosmovisión
fenomenológica (energética); mientras que C3 atribuye exclusivamente a la fuerza ser la
causante del movimiento y el calor, es decir, al mayor número de efectos le atribuye el menor
número de causas, circunscribiéndose a la cosmovisión realista (mecanicista). Esto conlleva
a que la causalidad sea entendida para C1 y C2 como una función, mientras para C3 como
una relación unidireccional lógica entre un antes y un después.
43
4.2 El principio de conservación de la energía: una construcción a partir de la
indestructibilidad y convertibilidad de las causas
Como consecuencia de asumir la causalidad como la interdependencia de fenómenos
o cadena de eventos, junto con el principio básico de que “de la nada nada sale”, se define
para las causas (energía) la propiedad denominada por Mayer (1842) como indestructibilidad.
Esto es, ninguna causa puede desaparecer sin su efecto correspondiente, dado que se rompería
la cadena. De allí que los fenómenos no puedan reducirse a cero, donde entonces la existencia
de uno implica la ocurrencia de otro. Como ningún fenómeno puede aniquilarse, es decir,
debe mantenerse la relación cuantitativa entre ellos, decimos que c=e=…=f=…=c, y en
consecuencia, aparece para la energía una segunda propiedad denominada por Mayer (1845)
como convertibilidad. Con ella se describe la posibilidad que tienen las causas de convertirse
unas en otras, es decir, es la propiedad que nos va a permitir hablar de la transformación
cualitativa que tiene la energía en los diferentes procesos.
Para la indagación acerca de la manera en que los casos comprenden estas dos
propiedades, se propuso un experimento de caída libre durante el cual se analizaron las
diferentes transformaciones que se daban de la energía. Además, se tuvieron en cuenta los
hallazgos obtenidos en el instrumento 1, donde además se pudo constatar como aserto
horizontal que la energía se transmite, distanciándose de esta manera de lo expuesto por
Solbes y Tarín (1998) quienes encuentran como una de las dificultades para la comprensión
del principio de conservación, la no activación de los esquemas de transferencia de la energía.
C1 y C2 dicen explícitamente que la energía se transmite, mientras que C3 usa palabras como
44
“toma” o “pasa” en lo cual deja entrever que también tiene la noción de que la energía
se transmite, y lo expresa de la siguiente manera: “Al ser golpeada (la bola roja) toma o
adquiere energía cinética aumentando la velocidad de su movimiento y vuelve a disminuir
por la fricción que hay en la mesa”.
Nótese que C3 reconoce que la disminución del movimiento de la bola roja se da
por la fricción de la mesa, pero no da cuenta de lo que pasa con ese movimiento, es decir,
para él el movimiento desaparece, sin ningún tipo de explicación. Para C3 entonces los
fenómenos se pueden aniquilar, con lo cual no reconoce para la energía la propiedad de la
indestructibilidad. Esto se puede interpretar con mayor seguridad en el siguiente fragmento
de la entrevista:
E: pero me dijiste que la bola roja al ser impactada por la bola blanca adquiría energía
cinética. ¿Por qué la adquiere?
C3: Por el impacto que tiene, porque la bola blanca le pasa la energía que tiene ¿no? Yo
creo que es algo así. Al golpearla la impulsa.
E: ¿Es decir que la bola blanca que traía energía cinética le pasa toda su energía a la bola
roja?
C3: Parte de la energía.
E: ¿Parte de la energía? ¿Y qué pasa con la otra parte?
45
C3: Se queda en la bola blanca, o se devuelve, pues algo así ¿sí me entiende? O sea,
cuando la bola blanca le pega a la roja, la blanca no se queda quieta de una sino que la
blanca se devuelve un poquito. Entonces yo digo que parte de la energía que llevaba se
la transmitió a la roja y la otra parte se perdió, pues se queda ya ahí.
E: ¿Se perdió?
C3: sí.
E: ¿Por qué se pierde?
C3: Umh… no, no sé. Pero es que la bola blanca le pega a la bola roja y se devuelve un
poquito y después se queda quieta, entonces yo digo que pues le pasó solo una parte y la
otra parte se perdió.
E: ¿En qué se pudo haber manifestado esa energía que se perdió?
C3: No, no sé. Pero mire que la energía de la bola blanca queda en cero porque deja de
moverse.
E: ¿Entonces hubo una pérdida de energía que no se sabe que pasó con ella?
C3: Pues yo la verdad no, no sé.
E: ¿En resumen entonces podríamos decir que no se invierte toda la energía que traía la
bola blanca?
C3: aja.
46
El no reconocer la indestructibilidad como propiedad de la energía tiene como
consecuencia inmediata la anulación también de la convertibilidad, puesto que si el
fenómeno se aniquila no se puede dar ninguna transformación cualitativa, con lo cual sí se
identifican algunas de las dificultades expuestas por Solbes y Tarín (1998), ya que no se
activan los esquemas de transformación y conservación de la energía.
Por su parte C1 expresa: “La energía cinética de la bola blanca se la transmite toda a la
bola roja en el impacto”. Es decir que para C1 se invierte la totalidad de la energía de la bola
blanca, la cual, al ser transmitida a la bola roja, hace que ésta continúe moviéndose.
Además, tanto C1 como C2 tratan de establecer, para la situación del objeto en caída libre,
una relación cuantitativa entre los fenómenos donde se invierte la totalidad de los mismos
(indestructibilidad) que dé cuenta de la transformación cualitativa que se está dando
(convertibilidad), y expresan:
“Porque una es inversa de la otra. La energía potencial cambia o se modifica por su altura,
en cambio la energía cinética depende de la velocidad que el objeto traiga. Por eso la
potencial disminuye cuando el objeto está más bajo, porque no hay altura; en cambio la
cinética aumenta porque hay más velocidad en la caída.” (C1). Por su parte, (C2) expresa:
“Porque ambas vienen con diferente frecuencia y a medida que una pueda descender más
rápido, la otra en el mismo caso puede disminuir más rápido.” Y agrega que: “Son
inversamente proporcionales ya que a medida que uno aumenta el otro disminuye y
viceversa”.
47
Por otro lado, Mayer (1842, 1845), con el establecimiento de la indestructibilidad y la
convertibilidad llega a que la energía es cuantitativamente indestructible y cualitativamente
convertible. Esto es, la energía se conserva. De aquí que el principio de conservación esté
definido en términos de estas dos propiedades, las cuales, junto con la causalidad, entendida
como la interdependencia de fenómenos, se convierten en sus ejes estructurantes.
En relación con lo anterior, tal como se ha expresado, se encuentra que para C3 la energía no
se conserva, lo cual se puede interpretar de los fragmentos anteriormente expuestos; en estos,
se pudo establecer que para este caso la energía se pierde. Además, en la situación del objeto
en caída libre, nuevamente afirma que la energía total del sistema: “Se pierde, porque al
aumentar la energía potencial y disminuir la cinética el cambio del resultado de la mecánica
disminuye porque esta depende de ambas.”
Por su parte, tanto C1 como C2 reconocen en la energía la capacidad de conservarse, como
se ve en los siguientes fragmentos:
“Pienso que se conserva su energía desde el principio. Vemos que varía, pero su energía
mecánica al principio al ser 20 se sigue conservando su propiedad” (C2); mientras que (C1),
dice: “Concluyo que la energía se conserva, desde el inicio hasta el final del experimento
porque siempre va a haber una energía que fluye por otra, ya sea la cinética o la potencial,
siempre va a haber una energía”.
48
C1 además da cuenta de dicha conservación en términos de la transformación de la
energía, cuando dice “siempre va a haber una energía que fluye por otra”, trayendo de nuevo
la convertibilidad. Que C1 y C2 reconozcan el principio de conservación de la energía
mientras que C3 no lo haga tiene sentido de acuerdo con los presupuestos teóricos de Mayer
y lo planteado por Solbes & Tarín (1998) y Solbes (2007), , ya que tanto C1 como C2 asumen
primero la causalidad como una función o la interdependencia de fenómenos, mientras que
se interpreta que C3, la asume como una relación unidireccional.
En términos generales, se estima que C1 y C2 activan los procesos de transformación,
transferencia y conservación de la energía, es decir, estos dos casos (C1 y C2) identifican la
indestructibilidad y convertibilidad de las causas, con lo cual luego concluyen que, bajo tales
circunstancias, la energía se debe conservar, ruta de análisis que coincide con la planteada
por Mayer para el establecimiento del Principio de Conservación de la Energía.
49
Capítulo 5. Implicaciones didácticas
El maestro de ciencias en la actualidad tiene grandes retos, en tanto se acepta que las
prácticas educativas y en particular la enseñanza de las ciencias son prácticas culturales. Esto
implica que el maestro de ciencias no solo se debe situar frente a los conocimientos
disciplinares, sino frente al conocimiento común de los estudiantes, el cual está asociado al
contexto en el que estos se desenvuelven. Por ello, y de acuerdo con Rodríguez y Romero
(1999), es necesario que el maestro sea consciente de la necesidad de involucrarse
activamente en ese proceso, lo que a su vez implica construir imágenes y representaciones
sobre el mundo natural, el conocimiento científico, el conocimiento común y la forma en que
estos se relacionan.
Lo anterior exige que el maestro de ciencias tenga una idea clara sobre la imagen de
ciencia, en tanto sus prácticas van a estar directamente influenciadas por dicha concepción.
En este sentido, la historia y la epistemología de las ciencias aparecen como dos escenarios
claves para la construcción de dicha imagen en un sentido cultural, abandonando de esta
manera la imagen más difundida de ciencia, aquella que la considera como un cúmulo de
conocimientos o productos objetivos, que son independientes del contexto social y del sujeto,
dotándola de esta manera de un carácter externo. Esta imagen implica, por un lado, que la
ciencia es independiente del ser humano y del contexto social e histórico, y por otro, que el
conocimiento científico es un conocimiento que solo es posible transmitir pero no
comprender ni mucho menos construir. Además, esta relación de exterioridad tiene como
consecuencia que los contextos de producción y difusión sean claramente diferenciados,
50
motivo por el cual tanto maestro de ciencias como alumno son considerados sujetos pasivos
en la construcción del conocimiento.
Por ello, y siguiendo a Mach (1948), citado por Rodríguez y Romero (1999), teniendo en
cuenta el carácter cultural del quehacer del maestro de ciencias y sus implicaciones en la
enseñanza, la ciencia debe ser considerada como una actividad de producción, donde se
considere al conocimiento como “procesos continuos de organización de la experiencia y de
construcción conceptual a partir de ello; procesos que responden a necesidades particulares
de los sujetos involucrados en tal actividad” (p. 10), donde el maestro tiene entonces un papel
protagónico no solo en la difusión, sino en la producción de dicho conocimiento.
Gracias a estas reflexiones y el estudio teórico del principio de conservación desde una
perspectiva histórica y epistemológica, queda como aprendizaje para el quehacer docente las
valiosas herramientas que se adquieren y saberes que se logran construir a partir de una
investigación realizada bajo estas características, tales como la consideración de la ciencia
como una actividad humana, que a la par que es construida socialmente también construye
sociedad y define el contexto, puesto que se trasciende la idea de que el contexto influye la
ciencia para más bien considerar una construcción paralela de ambos. Es decir que no solo
se considera que la posición política, religiosa y científica, influye en la creación conceptual,
sino que incluso los nuevos conceptos y teorías de la ciencia redefinen la manera en que se
ve el mundo.
51
Adicionalmente, el estudio de los objetos científicos a la luz de las problemáticas del
pasado y algunas del presente, permitieron adquirir un nuevo discurso pedagógico, didáctico,
histórico y epistemológico sobre la ciencia, aportando una visión global que luego se verá
reflejada en el proceso de intervención en el aula. En este sentido, queda la invitación como
maestro de ciencias, y en particular de la física, a propiciar escenarios donde el texto como
representante del conocimiento científico puro y aceptado, contenedor de la verdad absoluta,
sea desplazado de la posición que lo privilegia como principal elemento en la clase de
ciencias, y más bien se indague por las prácticas que dinamizan el conocimiento científico.
Bajo estas circunstancias, el estudiante ya no es visto como aquel que debe recibir y aceptar
todos los conceptos científicos establecidos como una verdad absoluta, carentes de
significados para él, sino como un sujeto que es partícipe de la actividad científica y que por
tanto mediante su experiencia sensible también puede construir conocimiento
Al respecto, Matthews (1994), expresa que “un profesor de ciencias instruido en historia
y filosofía puede ayudar a los estudiantes a entender cómo la ciencia capta, y no capta, el
mundo real, subjetivo, vivo” (p. 264), es decir, puede hacer más comprensible para el
estudiante las idealizaciones de la ciencia, y explicar su utilidad y el derecho a ser apreciadas,
contribuyendo así a erradicar la idea que muchos tienen de su propio mundo como una
fantasía, conclusión a la que llegan cuando la ciencia es enseñada como un cúmulo de
conocimientos de los cuales muchos de ellos no concuerdan con lo captado directamente por
los sentidos. Por ello, el estudio de un concepto desde su desarrollo
52
histórico es de suma importancia para el estudiante que se introduce en el mundo de la
ciencia.
Otro aspecto que deja esta investigación para el quehacer del maestro de ciencia está
relacionado con el conocimiento, apropiación y profundización de lo disciplinar, puesto que
se trasciende más allá del dominio de los conceptos, leyes y ecuaciones con las cuales se
describen para considerar las condiciones en las que se dio el origen de dichos conceptos y
teorías, los problemas o inquietudes que se pretendían resolver, el proceso que se llevó a cabo
para establecerlos teniendo en cuenta los posibles tropiezos que pudieron tener los científicos,
cómo influyeron en su desarrollo el pensamiento y las prácticas de la sociedad en la que
tuvieron lugar y, a su vez, cómo el surgimiento de éstas configuró unas nuevas prácticas y
pensamientos en esa sociedad.
Es por esto que el estudio de los conceptos desde un teórico clásico favoreció el
acercamiento a la física desde una óptica histórica y epistemológica, en la cual se evidencia
su constitución cultural, y la toma de una posición crítica como maestro frente al proceso de
enseñanza de las ciencias. Además, deja como ganancia el reconocimiento de una nueva
imagen de ciencia y su fin en la educación media y secundaria, así como la reexaminación
de las prácticas que se llevan a cabo en el aula.
Como resultado de la reflexión sobre todos estos factores que influyen en la enseñanza de
las ciencias, se dio la construcción de una secuencia didáctica (ver anexo 7) para la enseñanza
del principio de conservación de la energía. Para su construcción se tuvieron en cuenta los
presupuestos teóricos sobre la física y su constitución, la construcción teórica
53
para el principio de conservación desde Robert Mayer, y finalmente las disposiciones
didácticas que se consideran pertinentes para su aprehensión, teniendo en cuenta las ideas
que se perciben en los estudiantes sobre este principio y los hallazgos realizados en el estudio
de casos.
Con esta secuencia se intenta responder parcialmente a las necesidades y problemáticas
educativas sobre la ciencia que fueron expuestas en el planteamiento del problema,
especialmente las relacionadas con el principio de conservación de la energía. Para ello se
plantean situaciones en las que se ven reflejadas las características identificadas en el análisis
de la significación que hace Robert Mayer sobre este principio, no pretendiendo con ello que
el estudiante lo aprenda reproduciendo tal cual las experiencias y razonamientos que él hace,
sino proponiéndole situaciones en las que aparecen estas propiedades. Adicionalmente, la
secuencia tiene también como objetivo transmitir una mirada distinta de la física, para lo cual
se propone un conjunto de actividades en las que primero se da un acercamiento al fenómeno
desde la experimentación, y posteriormente su formalización conceptual y matemática,
teniendo en cuenta además los intereses actuales a nivel científico y social relacionados con
el principio de conservación.
Para el diseño de la secuencia didáctica se tuvo como referente el ciclo didáctico propuesto
por Gómez, San Martí y Pujol (2003), el cual consiste en cuatro fases organizadas de manera
cíclica y que, como todo proceso de enseñanza, requiere una evaluación permanente. La
primera fase tiene la intencionalidad de indagar sobre las ideas que los estudiantes tienen
acerca de los conceptos que se pretenden enseñar, con el fin de contextualizar la enseñanza;
en la segunda fase se busca ayudar a los estudiantes a
54
organizar las ideas que tienen sobre los conceptos, a la par que se incorporan nuevos modelos
explicativos, procedimientos y actitudes; la tercera fase tiene como finalidad apoyar una
abstracción más profunda de las ideas y su aplicación a casos específicos; y finalmente, en la
cuarta fase se busca ayudar a los estudiantes a transferir y aplicar lo aprendido a nuevas
situaciones, así como promover la participación y la toma de decisiones en pro de la
comunidad.
55
Capítulo 6. Consideraciones finales
En este proceso de recontextualización del principio de conservación de la energía se han
obtenido múltiples ganancias: Por un lado, se fortaleció el conocimiento disciplinar, ya que
este estudio implicó el acercamiento a las obras de Robert Mayer y las interpretaciones que
otros autores hicieron sobre ellas, con lo cual se fortalecieron también los conocimientos
históricos y epistemológicos referentes al principio de conservación, ya que en el análisis de
las obras se tuvieron en cuenta los aspectos metodológicos, el contexto histórico y
presupuestos filosóficos bajo los que se rigió Mayer para la construcción y formulación de
este principio. Fue así como se logró su conceptualización aun cuando, según lo expuesto en
el marco teórico y planteamiento del problema, persisten dificultades para su comprensión,
enseñanza y formulación; dificultades que aparecen, entre otras cosas, como producto de la
manera en que se expone en los libros de estudio, en los que no se tiene en cuenta su carácter
estructurante y articulador de toda la física ni su naturaleza de principio, ya que se deduce
normalmente de las leyes de la dinámica, con lo cual queda definido como un corolario.
La recontextualización del principio de conservación se hizo posible retomando las obras
de Mayer (1842, 1845) en las que se pudo identificar sus aspectos estructurantes: causalidad,
indestructibilidad y convertibilidad. En ellas se logró establecer que Mayer se inscribe en la
cosmovisión fenomenológica, motivo por el cual la causalidad es asumida como una cadena
de efectos y causas, donde unos son indistinguibles de los otros. Estas
56
causas o efectos son lo que actualmente conceptualizamos como energía. Bajo esta
concepción de la causalidad, Mayer (1842, 1845) define para las causas dos propiedades
básicas: no se pueden desaparecer (indestructibilidad), tan solo transformar (convertibilidad);
esto es, la energía no se puede crear de la nada ni tampoco destruir, por tanto toma varias
formas en las cuales se está manifestando la misma cantidad inicial. Por ello el principio de
conservación queda definido como la conjunción de estos dos axiomas.
Por otra parte, y teniendo en cuenta dicha recontextualización, se logró caracterizar, en
los casos, sus modelos explicativos referentes al principio de conservación, lo cual se llevó a
cabo por medio del análisis y sistematización de la información recolectada en la aplicación
de diferentes instrumentos y técnicas de recolección de información, las cuales fueron
descritas en el capítulo 3. Este análisis permitió interpretar cómo comprendían los casos
dicho principio, en lo que se identificaron coincidencias, en dos de ellos, con la ruta de
análisis que plantea Mayer para su formulación, ya que se pudo observar en ellos una
tendencia a explicar la ocurrencia de un fenómeno en función de otro, es decir, se asume la
causalidad como la interdependencia de fenómenos. De allí salieron planteamientos similares
a los de Mayer, tales como el movimiento que produce movimiento, el movimiento produce
calor.
Como consecuencia de lo anterior, los casos se veían en la necesidad de explicar la
transferencia y transformación de la energía, es decir, identificaron la convertibilidad y
utilizaron palabras y plantearon situaciones en las que se pudo caracterizar la
indestructibilidad de acuerdo con los presupuestos teóricos de Mayer, con lo cual llegaron a
que la energía se conserva. Contrario a esto, y es un aspecto que llama la atención, el caso
57
que no asume la causalidad como la interdependencia de fenómenos sino como una relación
unidireccional, no reconoce en la energía la capacidad de conservarse, y más bien afirma que
ésta se pierde y en muchas ocasiones no reconoce su transformación (convertibilidad),
interpretación que se pudo constatar en la información recolectada de varios instrumentos.
También se destaca especialmente la activación de los esquemas de transferencia por parte
de todos los casos, ya que se pudo identificar en diversas situaciones que les fueron
planteadas la conceptualización de la energía como una entidad que se transmite, con lo cual
se encontraron diferencias con algunas investigaciones en las que se expone esta situación
como una de las dificultades para su comprensión; también se pudo evidenciar cómo los dos
casos que llegan a que la energía se conserva activan no solo los esquemas de transferencia,
sino también los de transformación y conservación.
Finalmente, la presente investigación propició la profundización en obras relacionadas
con la historia y epistemología de las ciencias en relación con su enseñanza, lo cual permitió
asumir una postura crítica frente a la manera en que es asumida la ciencia y los aportes que
el estudio de la misma, bajo los lentes histórico y epistemológico, pueden hacer para la
construcción de una imagen de la ciencia donde esta sea concebida como una actividad
humana e históricamente constituida, lo cual se convierte en una ventaja para los procesos de
intervención en el aula, en la que tanto alumno como profesor tienen un papel protagónico
en la construcción social del conocimiento. En este sentido, y teniendo en cuenta los aspectos
disciplinares del principio de conservación estudiado desde Mayer (1842, 1845), la
caracterización de los modelos de los casos participantes en la investigación y los aportes de
la historia y la epistemología para la enseñanza de las
58
ciencias, se diseñó una secuencia didáctica en la que se intentó responder parcialmente a las
necesidades identificadas en los casos durante el proceso de investigación, así como plantear
una ruta de enseñanza del principio de conservación de la energía de acuerdo con los
presupuestos del teórico clásico estudiado. Por lo tanto, el presente estudio no solo significó
el fortalecimiento del conocimiento disciplinar y la formación en investigación tanto a nivel
teórico como práctico, sino el enriquecimiento del ejercicio como futura maestra.
59
Referencias
Aguilar, M. Y. (2006). Enseñanza y formalización de los fenómenos físicos. Tomado de: El
concepto de presión desde la perspectiva euleriana. Tesis de maestría. Universidad
de Antioquia, Medellín, Colombia.
Cassirer, E. (1979). Fin y método de la física teórica. En: El problema del conocimiento.
México: Fondo de cultura económica.
Castillo, J. C. (2008). La historia de las ciencias y la formación de maestros: la
recontextualización de saberes como herramienta para la enseñanza de las ciencias.
Nodos y nudos, revista Universidad Pedagógica Nacional, Vol. 3, pp. 1-10.
Doménech, J., Gil, D., Gras, A., Martínez, J., Guisasola, G. y Salinas, J. (2001). La enseñanza
de la energía en la educación secundaria. Un análisis crítico. Enseñanza de la Física,
Vol. 14, pp. 45 - 60.
Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V., (1999). Dando sentido a la
ciencia en secundaria. Investigaciones sobre las ideas de los niños. Madrid: Visor
(traducción de María José Pozo Municio).
Gallástegui Otero, J. y Lorenzo Barral, F. (1993). El café tiene cafeína y nos despierta, nos
da energía: concepciones sobre la energía química, una buena razón para poner de
acuerdo a los profesores de Física y Química y Ciencias Naturales. Enseñanza de las
Ciencias. 11(1). P. 20-25.
60
Gómez, A., San Martí, N. y Pujol, R. (2003). Resumen a partir de: Aprendiendo sobre los
seres vivos. Una propuesta realizada en la escuela primaria. Aula de innovación
educativa, n° 125, pp. 54-58.
González, A. (2006). El concepto de "energía" en la enseñanza de las ciencias. Revista
Iberoamericana de Física, Vol. 38, pp. 56-59.
Hernández, C. (2001). Aproximación a un estado del arte de la enseñanza de las ciencias en
Colombia. En Estados del arte de la Investigación Educación y Pedagogía en
Colombia. Tomo I (pp. 1-71). Bogotá: Icfes, Colciencias, Sociedad Colombiana de
Pedagogía.
Hernández, R., Fernández, C. y Baptista, P.. (2006). Recolección y análisis de los datos
cualitativos. En Metodología de la investigación cualitativa. (pp. 583-668). México:
Mc Graw Hil.
Hodson, Derek. (2003). “Time for action: Science education for an future”. International
Journal of Science Education, 5 (6), 645-670.
Jiménez, M y Sanmartí, N. (1997). ¿Qué ciencia enseñar? : Objetivos y contenidos en la
educación secundaria. En: La enseñanza y el aprendizaje de las ciencias de la
naturaleza en la educación secundaria (una aproximación a las orientaciones
actuales en didácticas de las ciencias experimentales). (pp 17-45). Barcelona:
Horsori.
López, P. y Katia, H. (2004). Dificultades y estrategias para la enseñanza del concepto de
energía. Enseñanza de las Ciencias, Vol. 22, pp. 159-166.
61
Matthews, M. (1994). Historia, filosofía y enseñanza de las ciencias: la aproximación actual.
Enseñanza de las ciencias, Vol. 2, pp. 255-277.
Mayer, R. (1842). Comentarios sobre las fuerzas de naturaleza inanimada (Remarks on the
Forces of Inorganic Nature). En: Magie, E.F. (1963) (ed). A Source Book in
Physics. Cambridge, Harvard University Press, pp. 196-203.
Mayer, R. (1973). El movimiento orgánico en su relación con la transformación de la materia.
Reimpreso por R. B. Lindsay, Men of physics: Julius Robert Mayer, Prophet of
Energy, Pergamon Press, Oxford, pp 76-99.Original de 1845.
Mellado, V. (1998). La enseñanza de la energía en profesores de ciencias con distinta
formación inicial. Revista de Enseñanza de la Física, Vol. 2, pp. 21-33.
Michinel, J. L. y D’Alessandro, A. (1994). El concepto de energía en los libros de texto: de
las concepciones previas a la propuesta de un nuevo sublenguaje. Enseñanza de las
ciencias, vol. 12, pp. 369-380.
Núñez, G.; Maturano, K.; Mazzitelli, C. y Pereira, R. (2004). ¿Por qué persisten las
dificultades en el aprendizaje del concepto de energía? Didáctica de las ciencias
experimentales y sociales, N° 18, pp. 105-120.
Perrota, M.; Dima, G.; Capuano, V.; Botta, I.; Follari, B.; De La Fuente, A. y Gutiérrez, E.
(2008). La Energía. Planificación, aplicación y evaluación de una Estrategia
62
Didáctica para un curso universitario de Física Básica en carreras de Ciencias Naturales.
Revista Latin-American Journal of Physics Education, Vol. 3, pp. 350-360.
Porlán y Martín (1999). El diario del professor. Un recurso para la investigación en el aula.
7° Edición, Sevilla, España: Díada.
Rodríguez, L. D. y Romero, A. (1999). La construcción de la historicidad de las ciencias y
la transformación de las prácticas pedagógicas. Física y cultura, cuaderno sobre
historia y enseñanza de la ciencia, Vol. 1, pp. 1-14.
Solano, S. (2005). La utilización del estudio de caso para el análisis social. Región y
sociedad, Vol. 17, pp. 107-144.
Solbes, J. y Tarín, F. (1998). Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía.
Enseñanza de las Ciencias, Vol. 3, pp. 387 - 397.
Solbes, J. (2007). Una propuesta para la enseñanza aprendizaje de la energía y su
conservación basada en la investigación en didáctica de las ciencias. Revista de
Enseñanza de la Física, Vol. 20, N° 1 y 2, pp. 65-90.
Solbes, J. y Tarín, F. (2008). Generalizando el concepto de energía y su conservación.
Didáctica de las ciencias experimentales y sociales, N° 22, pp. 155-182.
Stake, R. (1999). Investigación con estudio de casos. (2° edición), Madrid, España:
63
Ediciones MORATA, S. L.
Taylor, S. J. & Bogdan, R. (1987). Introducción a los métodos cualitativos de investigación,
Barcelona, España: Paidós. Traducción de Jorge Piatigonky.
Vélez, J., Ríos, S. y Marín, A. (2015). Análisis de los procesos energéticos desde una
perspectiva histórica y epistemológica: aportes para su enseñanza. Trabajo presentado para
optar el título de Licenciado(a) en Matemáticas y Física. Universidad de Antioquia, Medellín,
Colombia.
64
Anexos
Anexo 1
Formato de bitácora de observación
Situación:
Fecha:
Hora:
Participantes:
Lugar:
1. Impresiones del investigador (actitudes, familiarización con el tema y dificultades
de los estudiantes)
2. Explicaciones o hipótesis acerca de lo que sucede.
3. Implicaciones para la secuencia didáctica y para la investigación en general
Anexo 2
Guía de entrevista
Fecha
Hora
Lugar
Antes de todo me gustaría agradecer tu participación en la investigación, en este encuentro
la idea es que conversemos acerca de ciertas situaciones y me cuentes a partir de lo que
piensas o lo que sabes la comprensión que tienes de ellas. Quiero que tengas claro que no se
trata de un interrogatorio o evaluación, tan solo un conversatorio con el que pretendo entender
cómo comprendes algunos conceptos.
65
Preguntas:
1) Cuando en el billar la bola blanca impacta a la bola roja esta adquiere movimiento.
¿Por qué crees que se da esta situación?
2) ¿Cómo lo explicarías en términos de energía?
3) Cuando frotamos una placa de metal con otra notamos que éstas se calientan, y por
otro lado sabemos que el movimiento de una locomotora se da gracias al vapor que
expulsa una caldera. ¿Encuentras algún tipo de relación entre estas situaciones?
4) ¿Creerías que hay alguna relación entre calor y movimiento?
5) Cuando se tiene un objeto levantado unos cuantos metros sobre el suelo posee energía
potencial, al dejarlo caer en caída libre adquiere energía cinética mientras que la
potencial va disminuyendo. ¿Cómo explicarías esta situación?
6) ¿Creerías que en este sistema la energía se conserva? ¿Por qué?
66
Anexo 3
Universidad de Antioquia
Facultad de Educación
Licenciatura en Matemáticas y Física
Instrumento 1
Objetivo
Caracterizar los modelos explicativos que tienen los cuatro casos relacionados con el
principio de conservación de la energía.
El presente instrumento se aplica con el fin de recolectar información para la investigación
que se lleva a cabo en el trabajo de grado para optar al título de licenciada en matemáticas y
física. Por ello, la idea es que respondas con los conocimientos que has obtenido a lo largo
de tu trayectoria escolar hasta ahora. Ten presente que el instrumento se aplica solo con fines
investigativos, no evaluativos.
Lee las siguientes definiciones, a partir de ellas hay algunas preguntas propuestas.
La energía cinética es un tipo de energía mecánica y es la que posee un objeto en virtud de
su movimiento, es decir, es la energía que depende de la velocidad del objeto.
Por su parte, la energía potencial es también un tipo de energía mecánica y es la que posee
un cuerpo en virtud de su posición, de manera que pueden existir diferentes tipos de
energía potencial según el sistema que se esté considerando. En particular, la energía
potencial gravitacional es la que se presenta cuando un cuerpo adquiere altura con
respecto a un nivel de referencia fijado, por ejemplo, al levantar un objeto del piso este
adquiere energía potencial gravitacional.
Atendiendo a estas definiciones, analiza las siguientes situaciones:
1. En el juego de billar se cuenta con tres bolas: dos bolas blancas y una roja. En este
juego, cuando la bola blanca se encuentra en movimiento posee energía cinética,
mientras que la bola roja que se encuentra en reposo no posee dicha energía. Al
impactar la bola blanca con la roja se puede observar luego del choque que la bola
67
blanca queda en reposo mientras que la bola roja se pone en movimiento (ver figura
1). Realiza un escrito en donde expliques: ¿qué pasa con la energía cinética que tenía
la bola blanca? Y en términos de energía ¿qué pasa con la bola roja?
Figura 1
2. Cuando se frotan entre sí dos placas de metal, notamos que las placas se calientan.
¿Por qué crees que sucede esto? ¿Qué origina ese calor que notamos? ¿Tiene lo
observado alguna relación con la energía? Sí____ No______
Explica tu
respuesta____________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
3. Ahora considera una locomotora que es movida gracias al funcionamiento de una
caldera, la cual es una máquina que produce vapor. Gracias a ese vapor, es capaz de
mover algunos cuerpos, como en el caso de la locomotora. ¿Qué crees que origina en
este caso el movimiento de la locomotora? ¿Encuentras alguna relación con la
situación anterior? Explica tu respuesta.
68
Anexo 4
Universidad de Antioquia
Facultad de educación
Licenciatura en matemáticas y física
Instrumento 2:
Objetivo:
Indagar acerca de la activación de los esquemas de transformación y conservación de la
energía en los casos.
Consideremos un objeto de masa m = 1 kg, que se deja caer desde una altura de 2 m.
Analicemos la transformación de la energía en diferentes puntos de la trayectoria, llenando
los datos de la siguiente tabla.
Altura (h) Tiempo (t) Velocidad
(v)
v = 𝑣𝑖+gt
Energía
potencial (u)
u = mgh
Energía
cinética (k)
k = ½ m x v2
Energía
mecánica
w = u + k
2 m
1.5 m
1 m
0.5 m
0 m
Considerando esta información, responde a las siguientes preguntas:
1) ¿Qué relación se puede establecer entre la energía cinética y la energía potencial de
acuerdo con los datos obtenidos en cada punto de la trayectoria?
2) ¿Qué crees que origina el cambio numérico de la energía potencial y el de la energía
cinética? ¿Por qué se ven ambas modificadas a medida que el objeto desciende?
3) ¿Qué puedes concluir con respecto a los datos obtenidos para la energía total del sistema
-calculada como la energía mecánica- en relación a su conservación? ¿Se mantiene? ¿Se
pierde energía? Explica tu respuesta.
Anexo 5
Tabla 1 Matriz instrumento1
caso 1 caso 2 caso 3 caso 4 aserto
pregunta 1 La energía cinética de la
bola blanca se la transmite
toda a la bola roja en el
impacto, la velocidad y
fuerza de la bola blanca
impulsa completamente a la
bola roja la cual sigue con
energía cinética transmitida
por la bola blanca y con la
bola roja que estaba en
reposo tenía una energía
potencial de 0, cuando la
bola blanca impacta le
descarga toda su fuerza y
energía a la roja, esto hace
que la bola blanca pierda su
energía cinética y potencial,
quedo en 0.
Lo que pasa con la bola
blanca es que disminuye su
velocidad y de este modo
va dando un poco más de
movimiento a la bola roja.
O sea es como que le
transmitiera la energía a la
roja.
La energía de la bola
blanca disminuye
rápidamente hasta llegar a
0 después de golpear la
bola roja. La bola roja tiene
una energía potencial en el
momento donde no se
mueve; al ser golpeada
toma o adquiere energía
cinética aumentando la
velocidad de su
movimiento y vuelve a
disminuir por la fricción
que hay en la mesa.
Al haber un choque entre
ambas bolas pienso que la
bola blanca al quedar en
reposo pierde energía
cinética, mientras que la
bola roja la adquiere.
Los 4 casos coinciden en
afirmar que la energía se
transmite.
pregunta 2 Si. Porque esto genera
energía cinética por
fricción, al hacer contacto
una placa con la otra, con
una fuerza y velocidad del
movimiento, esto hace que
las condiciones físicas del
material aumenten.
Sí. La fricción entre dos
cuerpos, al estar más
unidos los cuerpos y
ejercer presión sobre ellos
vemos un choque y esto
hace que los cuerpos
generen cierto calor.
Hay varios tipos de energía
y yo pienso en este caso
estamos hablando de la
energía cinética en
movimiento de las placas
de metal.
Si. Al frotar las placas se
origina una energía de
fricción que hace que se
caliente, mediante el roce.
Si. tiene relación porque
con la frotación de
algunos elementos se
puede tener energía
debido a que estas a su
vez cada una tiene
diferentes energías y al
frotarlas estas se unen lo
cual produce un calor.
Sería por el contacto de
estas.
La fricción produce calor,
además se define la
fricción como una entidad
(energía o fuerza) que
aparece cuando hay
contacto entre dos
cuerpos.
70
caso 1 caso 2 caso 3 caso 4 aserto
pregunta 3 La locomotora a vapor
funciona con una caldera
que cuando llega a su punto
de ebullición produce
vapor, este vapor que suelta
la caldera con una alta
presión se dirige a unas
turbinas que funcionan por
la fuerza y velocidad que le
da el vapor.
Esto genera una energía
cinética, en que las turbinas
y las placas magnéticas en
su interior. Y sí porque las
placas creaban calor a partir
de fricción y energía
cinética.
La locomotora está
ejerciendo un movimiento
y la explicación de la
energía cinética nos dice
que es un cuerpo en virtud
de su movimiento.
El vapor genera cierto tipo
de movimiento en la
máquina locomotora. Sí.
Porque ambos están en una
situación de movimiento
generada por la energía
cinética.
La locomotora se mueve
gracias a la presión que
ejercen en sus ejes. Puede
haber relación ya que para
generar vapor se necesita
calor.
Podría ser el calor que
esta produce. Sí pueden
tener relación porque
ambas utilizan el calor
para diferentes
actividades y lo utilizan
para que lo que quieren
llevar se adquiera.
No es posible interpretar
una puesta en común para
esta pregunta.
Aserto La energía cinética es
generada por el calor, esta
se transmite y a su vez esta
genera calor.
La energía cinética se
transmite y esta a su vez
genera movimiento (la
energía cinética está
asociada con el
movimiento y esta genera
movimiento, esto resulta
acorde con lo planteado
por Mayer cuando expresa
que el movimiento mueve.
La energía se transmite, la
fricción hace que el
movimiento se pierda.
La energía se transmite.
Fuente: Elaboración propia, 2017
71
Anexo 6
Tabla 2 Matriz instrumento 2
Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Aserto
Pregunta 1 Son inversamente
proporcionales una
inversa a la otra cada
vez que una aumenta
otra disminuye.
Son inversamente
proporcionales ya que a
medida que uno aumenta el
otro disminuye y viceversa.
La relación entre las fuerzas
depende de la libertad de
movimiento que tenga.
La relación que hay es que
la energía cinética
depende de la energía
potencial.
Hay una relación de
dependencia entre la
energía cinética y la
potencial, esta relación es
inversa.
Pregunta 2 Porque una es inversa
de la otra. la energía
potencial cambia o se
modifica por su altura,
en cambio la energía
cinética depende de la
velocidad que el objeto
traiga por eso la
potencial disminuye
cuando el objeto está
más bajo, porque no
hay altura en cambio la
cinética aumenta
porque hay más
velocidad en la caída.
La variación del tiempo y la
velocidad que se maneja entre
ambos casos. Porque ambas
vienen con diferente
frecuencia y a medida que una
pueda descender más rápido,
la otra en el mismo caso puede
disminuir más rápido.
Al descender el objeto
aumenta su velocidad y
aumenta la energía cinética
además de ya tener la energía
potencial.
Ambas dependen de la
masa, pero el resto cambia
totalmente para las dos
fórmulas. En ambas no se
utiliza ni la altura, ni la
velocidad, etc.
Para c1, C2 y C4 se
identifica una relación en
la que mientras una
aumenta, la otra
disminuye
Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Aserto
Pregunta 3 Concluyo que la energía se
conserva, desde el inicio
hasta el final del experimento
porque siempre va a haber
una energía que fluye por
otra, ya sea la cinética o la
potencial, siempre va a haber
una energía.
Pienso que se conserva su
energía desde el principio.
Vemos que varía, pero su
energía mecánica al
principio al ser 20 se sigue
conservando su propiedad.
Se pierde, porque al aumentar
la energía potencial y
disminuir la cinética el cambio
del resultado de la mecánica
disminuye porque esta
depende de ambas.
Esto pasa porque el objeto
siempre mantendrá su
velocidad hasta que surja
una barrera que lo detenga.
Para C1 y C2, la energía
se conserva. Para C3 no
se conserva y en el caso
de C4 no es posible
interpretar su
comprensión del
concepto
Aserto La energía se conserva, lo
que experimenta son
transformaciones, establece
una relación inversa entre la
energía potencial y la
cinética.
La energía se conserva, hay
una relación inversa.
Para el Caso 3, no se conserva No es posible interpretar
cómo lo asume.
Fuente: Elaboración propia, 2017
Anexo 7
SECUENCIA DIDÁCTICA
Objetivo:
Plantear una ruta de enseñanza para el principio de conservación de la energía, en la cual
propiedades como la indestructibilidad y convertibilidad aparezcan como los ejes
estructurantes para su conceptualización
Pregunta:
¿Cómo estructurar el principio de conservación a partir de situaciones cotidianas, cuyo
análisis derive en su comprensión y aplicación a situaciones de carácter científico y social?
Actividades de indagación
1. Conocimientos previos
Tiempo: 30 minutos
Nombre: ________________________________________ Grado: ______
Fecha 1: ____________ Fecha 2: ____________
Objetivo:
Identificar el nivel de apropiación de algunos conceptos y procesos relacionados con la
energía.
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Indicaciones: Esta Evaluación inicial tiene como propósito identificar tus conocimientos previos sobre algunos aspectos de la Unidad que comenzaremos a trabajar; con esta información podremos saber tu punto de partida. Posterior al desarrollo de la Unidad se volverá a implementar con el fin de valorar cuanto hemos aprendido. Utilizando las categorías siguientes, marca con una X en el recuadro que lo represente. CATEGORÍAS:
1. Lo sé y como lo sé lo podría explicar a alguien.
2. No estoy seguro de saber, no podría explicárselo a alguien.
3. No lo entiendo
4. No lo sé
1. NIVEL CONCEPTUAL
Planteamientos 1 2 3 4
EL concepto de energía
Procesos de transformación de la energía
Procesos de transferencia de la energía
Disipación de la energía
Principio de conservación de la energía
2. NIVEL PROCEDIMENTAL
Planteamientos 1 2 3 4
Identificar tipos de energía.
Observar fenómenos de la naturaleza.
Identificar la transferencia de la energía en diversas situaciones.
Identificar la transformación cualitativa de la energía en diversas situaciones.
Describir los fenómenos a partir del principio de conservación.
3. NIVEL ACTITUDINAL
Planteamientos 1 2 3 4
Respetar opiniones de mis compañeros.
Escuchar a mis compañeros.
Valorar el entorno natural.
Participar en las actividades propuestas.
Comentarios: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2. Observación de fenómenos
Tiempo: 45 minutos
Nombre: ________________________________________ Grado: ______
Fecha__________________
Objetivo:
Describir y analizar algunos fenómenos a partir de la observación y los conocimientos
previos
Orientación
Ten en cuenta la siguiente definición para analizar la situación que se te plantea:
La energía cinética es un tipo de energía mecánica y es la que posee un objeto en virtud de
su movimiento, es decir, es la energía que depende de la velocidad del objeto.
Situación:
En el juego de billar se cuenta con tres bolas: dos bolas blancas y una roja. En este
juego, cuando la bola blanca se encuentra en movimiento posee energía cinética,
mientras que la bola roja que se encuentra en reposo no posee dicha energía. Al
impactar la bola blanca con la roja se puede observar luego del choque que la bola
blanca queda en reposo mientras que la bola roja se pone en movimiento. Realiza un
76
escrito en donde expliques: ¿qué pasa con la energía cinética que tenía la bola blanca?
Y en términos de energía ¿qué pasa con la bola roja?
Actividades experimentales
1. Convertibilidad e indestructibilidad de la energía
Tiempo: 45 minutos
Nombre: ________________________________________ Grado: ______
Fecha__________________
Objetivo
77
Introducir los conceptos de indestructibilidad y convertibilidad como propiedades
fundamentales de la energía a partir de situaciones extraídas de los planteamientos de
Robert Mayer.
Julius Robert Mayer fue un médico y físico alemán (1814 – 1878), quien junto con Joule
–aunque de manera independiente- establecieron en el siglo XIX la primera formulación
del principio de conservación de la energía.
A continuación, se presentan algunas de las situaciones en las que Mayer se basó para
llegar a plantear las propiedades esenciales de la energía. Léelas y analízalas con
atención.
A. Supongamos que a un vagón de tren que tiene una masa de 100.000 libras se le da una
velocidad de 30 pies por segundo. Por el gasto de una cantidad adecuada de energía se
puede lograr. Por ejemplo, el vagón de tren puede obtener esta velocidad rodando por un
plano inclinado adecuado. Como regla general, sin embargo, el tren se pondrá en marcha
sin el gasto de "energía de caída" (energía potencial) y a pesar de la fricción, etc.,
mantendrá este movimiento. Cuando se supone un aumento en la elevación del camino
de 1 parte en 150 (como equivalente a la fricción), entonces una velocidad de 30 pies por
segundo será suficiente para elevar la carga del tren 720 pies de altura en 1 hora, que
corresponden a un gasto de 45 caballos de fuerza. Esta enorme cantidad de movimiento
producido originalmente asume una gran cantidad igual de energía gastada de algún tipo.
La energía efectiva en el caso de una locomotora de un tren de tracción es el calor.
(Mayer, 1845)
78
B. “Si, por ejemplo, frotamos dos placas de metal, vemos desaparecer el movimiento, y
el calor, por otra parte, hacer su aparición, y ahora solo tenemos que preguntar si el
movimiento es la causa del calor; el movimiento no tiene algún otro efecto que la
producción de calor y el calor alguna otra causa que el movimiento.” (Mayer, 1842)
Espacio de socialización:
Discute con tus compañeros las ideas principales que puedes extraer a partir de la lectura de
Estas dos situaciones. ¿Qué relación encuentras entre ellas? ¿Qué puedes concluir con
respecto al movimiento y el calor? ¿Qué se puede inferir acerca de la energía según los
textos?
Espacio de conceptualización:
En este espacio el profesor deberá tener en cuenta los resultados obtenidos en las actividades
de indagación y la discusión generada, a partir de lo cual deberá reorientar las situaciones
para aclarar los conceptos de indestructibilidad y convertibilidad. Así mismo, deben
plantearse nuevas situaciones en las que se evidencien estas dos propiedades con el fin de
evaluar la claridad de los estudiantes y su capacidad de identificarlas en los procesos.
79
2. Experimento caída libre
Tiempo: 90 minutos
Integrantes: _______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
Grado: ______
Fecha: __________________
Objetivo
Comprender el principio de conservación a partir de la caída libre, atendiendo a los
planteamientos de Robert Mayer en cuya actividad se evidencie la indestructibilidad y
convertibilidad como propiedades fundamentales de la energía.
Orientación
En equipos de tres personas, deja caer libremente un objeto desde una altura de 0,5m, 1m,
1,5m y finalmente 2m, mientras otro de tus compañeros registra el tiempo de caída con un
cronómetro. Para este experimento vamos a utilizar un objeto de masa 1kg, con el fin de
facilitar los cálculos. Con los datos obtenidos experimentalmente, llena la siguiente tabla y
posteriormente responde de manera escrita a las preguntas que se te plantean.
80
Altura (h) Tiempo (t) Velocidad
(v)
v = 𝑣𝑖+gt
Energía
potencial (u)
u = mgh
Energía
cinética (k)
½ m v2
Energía
mecánica
w = u + k
2 m
1.5 m
1 m
0.5 m
0 m
Ten en cuenta los datos obtenidos en la tabla y discute con los compañeros de tu equipo para
responder a las siguientes preguntas en un escrito:
1) ¿Qué relación se puede establecer entre la energía cinética y la energía potencial de
acuerdo con los datos obtenidos en cada punto de la trayectoria?
2) ¿Qué crees que origina el cambio numérico de la energía potencial y el de la energía
cinética? ¿Por qué se ven ambas modificadas a medida que el objeto desciende?
3) ¿Qué puedes concluir con respecto a los datos obtenidos para la energía total del sistema
-calculada como la energía mecánica- en relación a su conservación? ¿Se mantiene? ¿Se
pierde energía? Explica tu respuesta.
Espacio de conceptualización
Este espacio deberá ser aprovechado por el profesor para aclarar dudas sobre los datos
obtenidos en el experimento y para generar discusión alrededor de las respuestas
formuladas por los equipos, con el fin de hacer una puesta en común sobre las
81
conclusiones que pueden extraerse de este experimento. Así mismo se propone la
resolución de otros problemas en los que se aplique el principio de conservación de la
energía.
Actividades de estructuración
1) Video sobre conservación de la energía
Tiempo: 60 minutos
Integrantes: _______________________________________________
_______________________________________________
Grado: ______
Fecha: __________________
Objetivo
Caracterizar el principio de conservación de la energía teniendo en cuenta procesos de
transferencia, transformación y disipación de la energía
Orientación
Observa el siguiente video en el que se explica el principio de conservación de la energía y
la disipación de ésta. Luego por parejas construye un cuadro sinóptico donde representen lo
que han aprendido sobre el principio de conservación, teniendo en cuenta todo lo que se ha
estudiado hasta aquí.
Video: Conservación de la energía
https://www.youtube.com/watch?v=LXcOrp6Qhy8&t=6s
82
2) Nuevos tipos de energía
Tiempo: 60 minutos
Integrantes: _______________________________________________
_______________________________________________
Grado: ______
Fecha: __________________
Objetivo
Introducir nuevos tipos de energía y su degradación para afianzar la comprensión del
principio de conservación
Orientaciones
Por parejas, lean con atención la situación que se les presenta a continuación en la que se dan
diferentes tipos de transformación de la energía. Posterior a esto, construyan una nueva
situación de la vida cotidiana en la que se evidencien procesos de transformación y
especifíquenlos.
Situación
Considera un molino que es movido por el viento (en este punto tenemos una transformación
de energía eólica a energía cinética rotacional); luego el molino mueve un dínamo, y se
produce un cambio de energía cinética rotacional a energía eléctrica. Posteriormente, los
electrones que viajan por el conductor llegan a una batería de plomo
83
ácido sulfúrico y hacen que se dé una reacción química de la cual se puede generar
electricidad si se deja que ocurra en sentido contrario, que posteriormente se va a transformar
en la energía que se manifiesta como luz, sonido, televisión, y demás cosas que utilizamos y
hacemos cotidianamente, entre ellas la utilización de un ventilador que genera corrientes de
aire (energía eólica), volviendo así nuevamente al tipo de energía de partida, sin ser
necesariamente la misma cantidad de la generada por el viento, puesto que en todo proceso
hay irreversibilidades (pérdida de calidad).
Espacio de socialización y conceptualización
Este espacio deberá ser aprovechado por el profesor para hablar de los diferentes tipos de
energía que existen -explicando aquellos que aparecen en la situación planteada- con
84
el fin de que los estudiantes reconozcan otros tipos diferentes a la mecánica, con lo cual
se afianzará la comprensión del principio de conservación en las situaciones en las que la
energía se manifiesta en otro tipo de energía diferente a la cinética o potencial
gravitacional, dado que se detectaron dificultades para reconocer el principio de
conservación en tales circunstancias. Además, se recomienda empezar con una discusión
en la que los estudiantes expresen si la pérdida de calidad de la energía (degradación)
afecta el principio de conservación y de qué manera. Posterior a la discusión, se deberá
aclarar el concepto y la relación que hay entre degradación y este principio.
Actividad de aplicación a nuevas situaciones
Tiempo: 60 minutos
Integrantes: _______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
Grado: ______
Fecha: __________________
Objetivo
Sintetizar lo aprendido sobre la energía y su conservación, y establecer relaciones con
situaciones de interés actual, temáticas científicas, sociales y ambientales.
Orientación
85
A continuación se presentan algunos apartes de un artículo sobre el calentamiento global y
su relación con la energía, escrito por Katherin Fula y Claudia Ayala, estudiantes de
administración de empresas y gestión ambiental de la Fundación Universitaria Monserrate.
Si quieres consultar el artículo completo, entra a:
http://www.unimonserrate.edu.co/publicaciones/administracion/imp_amb/calentamiento_gl
obal-DEFINITIVO.pdf
En equipos de tres integrantes, lee los fragmentos del artículo y responde a las siguientes
preguntas:
1) ¿Qué significados de la energía puedes extraer según el artículo? ¿Es diferente al
significado físico que se te ha enseñado en clase? ¿Por qué?
2) ¿Qué relación encuentras entre el fenómeno del calentamiento global y el principio
de conservación de la energía?
3) Explica en tus palabras y teniendo en cuenta los conocimientos adquiridos hasta ahora
las palabras o frases que han sido subrayadas. Ten en cuenta también el contexto en
el que se mencionan.
4) ¿Por qué crees que, según señalan las autoras, es importante apagar la luz y no seguir
usando la misma nevera de hace 25 años? ¿Cómo relacionas esto con la energía?
Calentamiento global
86
El calentamiento global es un problema que tiene en alerta al mundo. Las
proyecciones sobre lo que ocurrirá en el planeta en los próximos 50 años de no
frenarse las emisiones de los gases invernadero son preocupantes. Este artículo
plantea las causas y consecuencias de este fenómeno y da un brochazo sobre cómo el
ser humano con unos pequeños cambios en su vida cotidiana puede generar grandes
beneficios a la conservación del planeta y a la reducción de lo que hasta el momento
hemos ocasionado.
La Tierra es un sistema cerrado, lo que significa que ninguna materia entra o sale, con
excepción de la energía radiada por el Sol; y los únicos procesos que pueden tener lugar son
aquellos en que la materia cambia de una forma a otra. Como podemos ver, este sistema
cerrado provoca que todas las emisiones o procesos de combustión que pasen dentro de este
invernadero mundial, tienden a calentar la parte que se encuentra entre la capa de ozono y la
superficie de la Tierra.
Más allá de las políticas de Estado para solucionar el problema, la toma de conciencia de los
ciudadanos del mundo sobre el peligro que corre la humanidad, de seguir emitiéndose gases
invernadero al medio ambiente, es fundamental para lograr avances. Los beneficios de actuar
a tiempo serán grandes para la humanidad. La primera práctica estriba simplemente en
quemar menos combustible, en lograr que los automóviles y las empresas hagan un uso más
eficiente de la energía. Muchas industrias que han recortado las
87
emisiones han descubierto un ahorro de dinero que puede ser reinvertido en tecnologías
innovadoras.
El efecto invernadero se produce a partir del dióxido de carbono (C02), el vapor del agua y
otros gases que constituyen la atmósfera, los cuales absorben parte de las radiaciones que
emite la Tierra por lo que así disminuyen la transferencia de calor desde el planeta hacia el
espacio exterior. La progresiva acumulación en la atmósfera de los gases que producen el
efecto invernadero, dará lugar a un creciente aumento de la temperatura de la superficie de
la Tierra.
La humanidad está impulsando este proceso en gran parte por el uso de los combustibles
fósiles. Y es un problema serio, tal vez el más serio de todos los que estamos enfrentando
hoy. El cambio climático sin freno intensificará los actuales azotes de la humanidad -pobreza,
enfermedades, hambre- y añadirá unos cuantos nuevos, como el aumento de catástrofes
debidas al cambio extremo del clima, el aumento de nivel de los mares y las inundaciones en
una escala sin precedentes. También se destacan como consecuencias el origen de huracanes
más peligrosos y poderosos argumentando que "Aguas más calientes en los océanos añade
más energía a las tormentas tropicales, haciendo estas más destructivas e intensas"; extinción
de especies, la desaparición de algunos ecosistemas, temperaturas más cálidas, sequías y
fuegos arrasadores.
No podemos seguir pensando que el calentamiento global sólo afecta a los países
industrializados. Es una problemática que nos afecta a todos, y todos somos responsables de
los efectos que provoca, a pesar que países como china y Estados Unidos son los que
88
más contaminación producen, no debemos atribuirle toda la culpa. El hecho de no apagar la
luz, utilizar productos que contengan CFCs, seguir con la misma nevera de hace 25 años, la
quema de llantas, y el uso inadecuado del agua produce también efectos en el calentamiento
global.
La crisis del clima global es una amenaza tan grave que debemos reaccionar a movilizar una
inmensa aplicación de recursos contra el calentamiento global –dinero, tecnología y energía
humana— expandirlos estratégicamente para obtener el máximo efecto. Sólo a través de una
evolución rápida de los combustibles fósiles a fuentes de energía limpia, y de la preservación
y restauración de los bosques, podemos detener la acumulación de gases invernadero que nos
pone a todos en peligro.
Todos podemos hacer algo para reducir la emisión de gases de invernadero y las
consecuencias del calentamiento global. Por ejemplo, reducir el consumo de energía
eléctrica, utilizar bombillos fluorescentes, limitar el consumo de agua, adquirir productos sin
empaque o con empaque reciclable, utilizar papel reciclado, caminar o utilizar transportes
públicos, sembrar árboles, reciclar envases de aluminio, vidrio y plástico, así como el cartón
y el papel. Por último, crear conciencia en otros sobre la importancia de tomar acciones
dirigidas a reducir el impacto del calentamiento global.